DE102020213273A1

DE102020213273A1 - Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen und Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit diesem Katalysatorkomplex

Info

Publication number: DE102020213273A1
Application number: DE102020213273.9A
Authority: DE
Inventors: Jong Kil Oh; Bo Ki Hong
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-05-06
Also published as: US11444287B2; US20210135241A1; KR20210051600A; CN112751045A

Abstract

Es werden ein Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, die diesen aufweist, offenbart. Der Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen, der in einer Elektrode für Brennstoffzellen enthalten ist, umfasst einen ersten Katalysator, der eingerichtet ist, eine Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) zu bewirken, und einen zweiten Katalysator, der eingerichtet ist, eine Wasserelektrolysereaktion, d.h. eine Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), zu bewirken. Die Außenfläche des ersten Katalysators ist mit einem ersten lonomerbindemittel beschichtet, die Außenfläche des zweiten Katalysators ist mit einem zweiten lonomerbindemittel beschichtet, und ein Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels unterscheidet sich von einem Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, das diesen umfasst.
Stand der Technik
Zuletzt wurde als Brennstoffzelle für Fahrzeuge am häufigsten eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) eingesetzt. Um regelmäßig unter verschiedenen Fahrbedingungen eines Fahrzeugs eine hohe Ausgangsleistung von mindestens einigen zehn kW zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle in einem weiten Stromdichtebereich stabil betrieben werden können.
Um bei der Brennstoffzelle ein gewünschtes Leistungsniveau zu erreichen, wird die Brennstoffzelle in Form eines Stapels (stack) verwendet, in dem die einzelnen Zellen zu einer Einheit zusammengesetzt werden. Die Einheitszelle ist derart eingerichtet, dass Gasdiffusionsschichten (GDLs) und Dichtungen an äußeren Teilen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) gestapelt werden, an denen sich eine Kathode und eine Anode befinden. Bipolarplatten (oder Separatoren) mit Strömungsfeldern zur Zufuhr von Reaktionsgas (Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel) und zum Durchleiten von Kühlwasser werden außerhalb der GDLs bereitgestellt. Hunderte dieser Einheitszellen werden gestapelt, und dann werden Endplatten zur Unterstützung der Einheitszellen mit den äußersten Einheitszellen verbunden.
In einer elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle, ausgedrückt in der folgenden Gleichung 1, werden nach der Zufuhr von Wasserstoff zu einer Oxidationselektrode, also der Anode, der Brennstoffzelle durch eine Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) in Protonen und Elektronen getrennt, und die Protonen werden durch die Membran zu einer Reduktionselektrode, also der Kathode, und die Elektronen durch einen externen Stromkreis zur Kathode bewegt. Die Protonen und Elektronen reagieren mit von außen zugeführtem Sauerstoffgas in der Kathode durch Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), um Strom und Wärme sowie gleichzeitig Wasser als Nebenprodukt zu erzeugen, wie in der folgenden Gleichung 2 ausgedrückt. H2 → 2H+ + 2e-, E° = 0.000 V (vs. SHE) [Gleichung 1] 1/202 + 2H⁺ + 2e^- → H₂O, E° = 1,229 V (vs. SHE) [Gleichung 2]
(Hier ist E° ein Standardelektrodenpotential und SHE ist eine Standard-Wasserstoffelektrode).
Insbesondere wenn die Protonen durch die Membran von der Anode zur Kathode bewegt werden, tritt elektro-osmotischer Widerstand (EOD) auf, bei dem Hydroniumionen im Allgemeinen mit Wassermolekülen derart verbunden werden, dass die Wassermoleküle mitgerissen werden. Darüber hinaus kann, wenn eine an der Kathode angesammelte Wassermenge erhöht wird, Rückdiffusion (BD) auftreten, bei der eine gewisse Wassermenge umgekehrt von der Kathode zur Anode bewegt wird. Ist eine angemessene Wassermenge vorhanden, die erzeugt und durch diese Brennstoffzellenreaktion bewegt wird, so spielt die angemessene Wassermenge eine wünschenswerte Rolle, sie dient etwa dazu, die Befeuchtung der Membran-Elektroden-Einheit aufrechtzuerhalten, wenn jedoch eine übermäßige Wassermenge vorhanden ist, und diese übermäßige Wassermenge nicht ordnungsgemäß entfernt wird, kommt es zu einer Wasserüberflutung, und das Flutwasser führt dazu, dass die Zufuhr von Reaktionsgasen in das Innere der Brennstoffzelle behindert wird und erhöht somit den Spannungsverlust. Neben der Überflutung der Brennstoffzelle mit Wasser können verschiedene andere Ursachen, wie z.B. Eisbildung im Winter und Anomalien an den Reaktionsgasversorgungseinrichtungen, zu einer Verknappung der Versorgung mit Wasserstoff und Sauerstoff, d.h. den in der Brennstoffzelle verwendeten Reaktionsgasen, führen, insbesondere ist es bekannt, dass ein Mangel an Wasserstoff an der Anode einen fatalen negativen Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle ausübt und die Zellspannung stark verringert.
Im Allgemeinen kann die Wasserstoffknappheit in einen allgemeinen Wasserstoffmangel unterteilt werden, bei dem die gesamte Brennstoffzelle knapp an Wasserstoff ist, und in einen lokalen Wasserstoffmangel, bei dem die Wasserstoffversorgung der gesamten Brennstoffzelle ausreicht, jedoch aufgrund ungleichmäßiger Verteilung eine lokale Wasserstoffknappheit auftritt. Diese Wasserstoffmangelerscheinungen treten besonders unter Betriebsbedingungen wie etwa ungleichmäßiger Zufuhr und Verteilung von Wasserstoffgas, plötzlichem Anstieg des Lastbedarfs der Brennstoffzelle oder Anfahren der Brennstoffzelle auf. Ein allgemeiner Wasserstoffmangel kann relativ leicht durch Überwachung eines Wasserstoffversorgungszustandes oder durch Verwendung eines Sensors in einer Anlagenbilanz (BOP) festgestellt werden, jedoch kann ein lokaler Wasserstoffmangel in einigen Zellen allein durch die Überwachung der entsprechenden Zellen des Brennstoffzellenstapels mit Hilfe eines Stack-Spannungsüberwachungsgerätes festgestellt werden. Daher erfordert die Erkennung eines lokalen Wasserstoffmangels erheblichen Aufwand und ein kompliziertes Kontrollsystem.
Ist während des Betriebs der Brennstoffzelle an der Anode kein Wasserstoffgas vorhanden, so wird die Anodenspannung E_An derart erhöht, dass die für die Brennstoffzellenreaktion erforderlichen Protonen erzeugt werden, und dann so weit erhöht, dass sie größer als eine Kathodenspannung Eca ist, so dass die Brennstoffzelle einen Umkehrzustand der Zellspannung erreicht, bei dem die Zellspannung E_Cell kleiner als 0 V ist (E_Cell = E_Ca - E_An< 0). Hierbei kann Kohlenstoff, der als Katalysatorträger der Anode dient, mit Wasser reagieren und somit oxidiert werden, wie in den folgenden Gleichungen 3 und 4 ausgedrückt, kann jedoch aufgrund träger Reaktionsgeschwindigkeit keine ausreichenden Mengen an Protonen und Elektronen, die in der Kathode benötigt werden, zur Verfügung stellen, und folglich wird die Anodenspannung schnell erhöht. C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e^- (0,207 V vs. SHE) [Gleichung 3] C + H₂O → CO + 2H⁺ + 2e^- (0,518 V vs. SHE) [Gleichung 4]
Wird das Fahrzeug, während der Anstieg der Anodenspannung ignoriert wird, kontinuierlich gefahren, so wird die Korrosion von Kohlenstoff beschleunigt, und auf dem Katalysatorträger getragene Metallkatalysatorpartikel gehen verloren, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle herabgesetzt werden kann. Wird ein derartiger Zustand der Spannungsumkehr der Zelle fortgesetzt und erreicht die Brennstoffzelle somit einen übermäßigen Zustand der Spannungsumkehr von -2 V oder weniger, so wird aus den Einheitszellen der Brennstoffzelle eine übermäßige Wärmemenge erzeugt, wodurch die Membran-Elektroden-Einheit und die Gasdiffusionsschichten beschädigt werden, und insbesondere können schwerwiegende Probleme, wie die Erzeugung von Stiftlöchern in der Membran-Elektroden-Einheit und elektrische Kurzschlüsse in den Zellen, verursacht werden. Dadurch erreicht die Brennstoffzelle einen Zellausfallzustand, in dem die jeweiligen Einheitszellen nicht normal betrieben werden können. Daher ist es wichtig, Brennstoffzellenkomponenten und ein System zu entwickeln, die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Spannungsumkehr aufweisen.
Darüber hinaus laufen Forschungsarbeiten zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit eines Katalysators durch Abstützen einer Verbindung zur Verhinderung der Korrosion eines Katalysatorträgers auf dem Katalysatorträger. Da jedoch eine Hauptquelle zur Erzeugung von Protonen in einer Elektrode entfernt wird und somit keine Protonen erzeugt werden können, wird die Anodenspannung weiter erhöht, wodurch die Schädigung der Zellen aufgrund der Oxidation einer Komponente, die sich neben einer Gasdiffusionsschicht befindet, und der erhöhten Wärmeerzeugung noch schlimmer sein kann.
UBERBLICK UBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in dem Bemühen getätigt, die vorstehend beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit dem Stand der Technik zu lösen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen zur Verfügung zu stellen, bei dem ein wasserspaltender Katalysator mit einem zweiten lonomerbindemittel beschichtet ist, das ein geringeres Äquivalentgewicht (EW) hat als ein erstes lonomerbindemittel, das auf einen Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator aufgetragen ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen, bei dem lonomerbindemittel mit unterschiedlichem Äquivalentgewicht auf einen Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator und einen Wasserspaltungskatalysator aufgetragen werden, um die Korrosionsbeständigkeit der Katalysatoren zu erhöhen und einen übermäßigen Spannungsanstieg zu verhindern.
Ein Gegenstand der vorliegenden Enthüllung ist es überdies, einen Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen bereitzustellen, bei dem einem in einer Elektrode vorhandenen wasserspaltenden Katalysator bei Spannungsumkehr problemlos Wasser zugeführt werden kann, um den Spannungsumkehrwiderstand eines Brennstoffzellenstapels zu erhöhen.
Nach einem Aspekt wird erfindungsgemäß ein Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen, der in einer Elektrode für Brennstoffzellen umfasst sein kann, zur Verfügung gestellt. Der Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen umfasst einen ersten Katalysator, der eingerichtet ist, eine Wasserstoffoxidationsreaktion zu bewirken, und einen zweiten Katalysator, der eingerichtet ist, eine Wasserelektrolysereaktion mit dem ersten Katalysator zu bewirken. Eine äußere Oberfläche des ersten Katalysators kann mit einem ersten lonomerbindemittel beschichtet sein und eine äußere Oberfläche des zweiten Katalysators kann mit einem zweiten lonomerbindemittel beschichtet sein, und ein Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels unterscheidet sich von einem Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels.
In einer Ausführungsform kann das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 92% oder weniger des Äquivalentgewichts (EW) des ersten lonomerbindemittels betragen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 700 bis 1200 betragen.
In noch einer anderen Ausführungsform kann der erste Katalysator einen Katalysator vom Trägertyp umfassen, bei dem Katalysatorteilchen auf einem Kohlenstoffträger getragen werden, und der Kohlenstoffträger kann einen Träger umfassen, ausgewählt aus einer Gruppe mit Ruß (CB), Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), Kohlenstoff-Nanofasern (CNF), Kohlenstoff-Nanodrähten (CNW), Kohlenstoff-Nanohörnern (CNH), Graphen oder Kombinationen von diesen oder diese umfassend.
In einer weiteren Ausführungsform kann der erste Katalysator einen Metallkatalysator umfassen, und der Metallkatalysator kann aus einer Gruppe mit Platin (Pt), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein. Der zweite Katalysator kann zumindest Metallnanopartikel oder ein Metalloxid umfassen. Das Metall kann aus einer Gruppe mit Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese umfassen.
In noch einer anderen Ausführungsform kann der zweite Katalysator einen Trägerkatalysator umfassen, bei dem Katalysatorteilchen auf einem Träger aufgebracht sind.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Träger aus einer Gruppe mit Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanodrähten, Kohlenstoff-Nanohörnern, Graphen, Titanoxid, Ceroxid, Nioboxid, Wolframoxid, Titancarbid, Titannitrid oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese umfassen.
In einer anderen weiteren Ausführungsform kann der Gehalt des zweiten Katalysators, bezogen auf das Gewicht des ersten Katalysators, 2 Gew.-% bis 80 Gew.-%betragen.
Nach einem anderen Aspekt wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen einschließlich eines Katalysatorkomplexes zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst das Herstellen eines ersten beschichteten Katalysators durch Beschichten eines ersten Katalysators mit einem ersten lonomerbindemittel, das Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators durch Beschichten eines zweiten Katalysators mit einem zweiten lonomerbindemittel mit einem Äquivalentgewicht (EW), das 92% oder weniger eines Äquivalentgewichts (EW) des ersten lonomerbindemittels betragen kann, das Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen des ersten beschichteten Katalysators, des zweiten beschichteten Katalysators und eines Lösungsmittels und das Herstellen der Elektrode unter Verwendung der Katalysatortinte.
In einer Ausführungsform kann beim Herstellen der Katalysatortinte das Lösungsmittel zumindest Alkohol oder deionisiertes Wasser umfassen. Der Alkohol kann einen Alkohol, ausgewählt aus einer Gruppe mit Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (nPA), Ethylalkohol oder Kombinationen von diesen umfassen oder diese einschließen.
In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Katalysator in der Katalysatortinte, bezogen auf ein Gewicht des ersten Katalysators, einen Gehalt von 2 Gew.-% bis 80 Gew.-% aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Herstellen des ersten beschichteten Katalysators das Herstellen einer ersten gemischten Lösung umfassen, die den ersten Katalysator, das erste lonomerbindemittel und ein erstes Lösungsmittel umfasst, sowie das Durchführen von Trocknung und Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung.
In einer weiteren Ausführungsform kann das erste lonomerbindemittel in der ersten gemischten Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Katalysators und des ersten lonomerbindemittels, einen Gehalt von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% aufweisen.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann beim Durchführen der Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung diese Wärmebehandlung innerhalb eines Bereichs von einer α - Übergangstemperatur des ersten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur durchgeführt werden, die um 100 □ höher als die α - Übergangstemperatur ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann beim Durchführen der Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung die Wärmebehandlung für 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden.
In einer anderen weiteren Ausführungsform kann das Herstellen des zweiten beschichteten Katalysators das Herstellen einer zweiten gemischten Lösung umfassen, die den zweiten Katalysator, das zweite lonomerbindemittel und ein zweites Lösungsmittel umfasst, sowie das Durchführen von Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann das zweite lonomerbindemittel in der zweiten gemischten Lösung, bezogen auf ein Gesamtgewicht des zweiten Katalysators und des zweiten lonomerbindemittels, einen Gehalt von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann beim Durchführen der Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung die Wärmebehandlung innerhalb eines Bereichs von einer α - Übergangstemperatur des zweiten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur durchgeführt werden, die um 100 □ höher als die α - Übergangstemperatur ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform, kann bei der Durchführung der Wärmebehandlung der zweiten Gemischten Lösung die Wärmebehandlung für 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen einschließlich eines Katalysatorkomplexes. Das Verfahren umfasst das Herstellen einer ersten gemischten Lösung, die einen ersten Katalysator, ein erstes lonomerbindemittel und ein erstes Lösungsmittel umfasst, das Herstellen einer zweiten gemischten Lösung, die einen zweiten Katalysator, ein zweites lonomerbindemittel und ein zweites Lösungsmittel umfasst, das Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators durch Durchführen einer Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung, das Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen der ersten gemischten Lösung und des zweiten beschichteten Katalysators und das Herstellen der Elektrode unter Verwendung der Katalysatortinte.
Weitere erfindungsgemäße Aspekte und Ausführungsformen werden nachstehend erörtert.
Die obigen und andere erfindungsgemäße Merkmale werden im Folgenden ebenfalls erörtert.
Figurenliste
Die obigen und andere erfindungsgemäße Merkmale werden im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungsfiguren dargestellt sind, die im Folgenden lediglich zur Veranschaulichung angegeben werden und daher für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, wobei

1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen ist;
2 ist eine schematische Ansicht eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einschließlich eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen nach einer erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt;
4 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einschließlich eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen nach einer anderen erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt; und
5 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einschließlich eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen nach einer weiteren erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt.

Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungsfiguren nicht unbedingt maßstabsgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale darstellen, die die erfindungsgemäßen Grundprinzipien. Die konkreten erfindungsgemäßen Konstruktionsmerkmale, wie sie hierin offenbart werden, einschließlich z.B. spezifischer Abmessungen, Ausrichtungen, Standorte und Formen, werden teilweise durch die besondere beabsichtigte Anwendung und Nutzungsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugsziffern auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird ausführlich auf verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen Bezug genommen, die in den beigefügten Zeichnungsfiguren beispielhaft dargestellt und im Folgenden beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit konkreten Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die offengarten Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil soll die Offenbarung nicht nur die Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen innerhalb des Erfindungsgedankens und des erfindungsgemäßen Schutzumfangs, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, abdecken. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen werden gleiche Elemente durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet, obwohl sie in verschiedenen Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
Alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe), soweit sie in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen verwendet werden, können Bedeutungen haben, wie sie allgemein von Fachleuten auf demjenigen technischen Gebiet, an das die Erfindung sich wendet, verstanden werden, sofern sie nicht anders definiert sind. Auslegungen sollten dahin gehen, dass Begriffe, die in allgemein gebräuchlichen Wörterbüchern definiert sind, Bedeutungen haben, die mit kontextuellen Bedeutungen im betreffenden technischen Gebiet übereinstimmen, und keine idealen oder übermäßig formalen Bedeutungen haben, es sei denn, sie sind speziell so definiert.
Ferner dienen die in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen verwendeten Begriffe der Beschreibung der Ausführungsformen und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein. In der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen können singuläre Ausdrücke auch plurale Ausdrücke umfassen, es sei denn, sie haben eindeutig unterschiedliche kontextuelle Bedeutungen. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen werden Begriffe wie „einschließen“, „haben“ usw. dahingehend interpretiert, dass sie das Vorhandensein von Merkmalen, Zahlen, Schritten, Schritten, Elementen oder Teilen, die in der Beschreibung angegeben sind, oder Kombinationen von diesen angeben, nicht jedoch das Vorhandensein von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Schritten, Elementen, Teilen oder Kombinationen von diesen oder die Möglichkeit, diese hinzuzufügen, ausschließen. Darüber hinaus können Begriffe wie „und/oder“ begrifflich jeden der angegebenen Punkte und alle Kombinationen von einem oder mehreren der angegebenen Punkte einschließen.
Darüber hinaus versteht es sich, dass, wenn ein Teil, wie z.B. eine Schicht, ein Film, eine Region oder eine Platte, als „auf“ einem anderen Teil bezeichnet wird, das Teil „direkt auf“ dem anderen Teil liegen kann oder andere Teile zwischen beiden Teilen eingefügt werden können. In gleicher Weise versteht es sich, dass, wenn ein Teil, wie z.B. eine Schicht, ein Film, eine Region oder eine Platte, als „unter“ einem anderen Teil bezeichnet wird, das Teil „direkt unter“ dem anderen Teil angeordnet sein kann oder andere Teile zwischen beiden Teilen eingefügt sein können.
Alle Zahlen, Werte und/oder Ausdrücke, die Mengen von Komponenten, Reaktionsbedingungen, Polymerzusammensetzungen und Mischungen darstellen, die in der Beschreibung verwendet werden, sind Näherungswerte, in denen sich verschiedene Messunsicherheiten widerspiegeln, die entstehen, wenn diese Werte von wesentlich unterschiedlichen Dingen erfasst werden. Daher versteht es sich, dass sie, sofern nicht anders angegeben, durch den Begriff „etwa“ modifiziert sein sollen. Es versteht sich weiter, dass, wenn in der Beschreibung ein numerischer Bereich angegeben wird, ein solcher Bereich, sofern nicht anders angegeben, alle kontinuierlichen Werte von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert des Bereichs umfasst. Bezieht sich ein solcher Bereich auf ganze Zahlen, so umfasst der Bereich, sofern nicht anders angegeben, alle ganzen Zahlen von einem minimalen ganzzahligen Wert bis zu einem maximalen ganzzahligen Wert.
In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen versteht es sich, dass, wenn der Bereich einer Variablen angegeben wird, die Variable alle Werte innerhalb des angegebenen Bereichs einschließlich der angegebenen Endpunkte des Bereichs umfasst. Zum Beispiel sollte ein Bereich von „5 bis 10“ nicht nur Werte von 5, 6, 7, 8, 9 und 10 umfassen, sondern auch willkürliche Unterbereiche, wie z.B. einen Unterbereich von 6 bis 10, einen Unterbereich von 7 bis 10, einen Unterbereich von 6 bis 9, einen Unterbereich von 7 bis 9 usw., und willkürliche Werte zwischen ganzen Zahlen, die innerhalb des angegebenen Bereichs liegen, wie z.B. 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 bis 8.5, 6.5 bis 9 usw. Weiter verhält es sich so, dass ein Bereich von „10 % bis 30 %“ nicht nur alle ganzen Zahlen einschließlich der Werte 10 %, 11 %, 12%, 13 %, ... 30 % umfasst, sondern auch willkürliche Unterbereiche, wie z.B. einen Unterbereich von 10 % bis 15 %, einen Unterbereich von 12 % bis 18 %, einen Unterbereich von 20 % bis 30 %, usw., und willkürliche Werte zwischen ganzen Zahlen, die innerhalb des angegebenen Bereichs liegen, wie z.B. 10,5 %, 15,5 %, 25,5 %, usw.
Im Folgenden werden die erfindungsgemäßen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren ausführlich beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen.
Bezugnehmend auf 1 kann der herkömmliche Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen in einer Elektrode (zum Beispiel einer Anode) einer Membran-Elektroden-Baugruppe (MEA) für Brennstoffzellen umfasst sein. Eine elektrochemische Reaktion zur Erzeugung von Elektrizität einer Brennstoffzelle kann in einer Membran-Elektroden-Baugruppe (MEA) stattfinden, die eine Elektrolytmembran und Elektroden (eine Anode und eine Kathode) auf der Basis von perfluorierter Sulfonsäure (PFSA) und ionomeren Elektrolyten enthält. Eine in einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug verwendete Elektrode kann einen Katalysatorkomplex mit Katalysatoren enthalten, die eine Brennstoffzellenreaktion bewirken oder auf Katalysatorträgern getragen sind, und kann ein lonomerbindemittel umfassen, welches die Katalysatoren aneinander bindet oder die Katalysatoren und die Katalysatorträger aneinander bindet.
Wie in 1 genauer gezeigt, kann der in der Elektrode enthaltene Katalysatorkomplex einen Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator 100 vom Trägertyp umfassen, der einen Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator 10 und einen Kohlenstoffträger 11, auf dem der Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator 10 getragen werden kann, einen wasserspaltenden Katalysator 20 und ein lonomerbindemittel 50, das auf den Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator 100 vom Trägertyp und den wasserspaltenden Katalysator 20 aufgetragen werden kann, umfasst.
Als Reaktionskatalysator 10 für die Wasserstoffoxidation kann hochpreisiges Platin (Pt) verwendet werden, das mit einem metallischen Element wie Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Yttrium (Y) oder ähnlichem legiert werden kann, um den Preis eines Brennstoffzellenstapels zu senken und eine Katalysatorvergiftung (z. B. durch Kohlenmonoxid) zu verhindern, oder zur Verbesserung der Leistung des Katalysators. Um die Reaktionsfläche dieses Metallkatalysators zu vergrößern, können nanoskalige Partikel des Metallkatalysators auf einem Katalysatorträger mit einer großen spezifischen Oberfläche aufgebracht werden. Als Träger für Brennstoffzellen-Katalysatoren kann ein kohlenstoffbasiertes Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden, wie zum Beispiel Ruß, Aktivkohle, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanosphären, Kohlenstoff-Nanodrähte, Graphit, Graphen, mesoporöser Kohlenstoff oder dergleichen. Ferner kann als lonomerbindemittel 50 der Elektrode ein lonomerbindemittel auf der Basis von perfluorierter Sulfonsäure (PFSA) verwendet werden.
Um die Korrosion eines Katalysators zu verhindern, kann der Katalysator auf einem Nicht-Kohlenstoff-Träger, wie z.B. Titanoxid, Ceroxid, Nioboxid, Wolframoxid, Titancarbid, Titannitrid oder dergleichen getragen werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Katalysators erhöht werden kann.
Daher spaltet der von den Elektroden verwendete Wasserspaltungskatalysator 20 bei Spannungsumkehr Wasser, wie in der folgenden Gleichung 5 ausgedrückt, und liefert Protonen, um einen übermäßigen Spannungsanstieg der Elektrode zu verhindern und die Oxidation eines Kohlenstoffträgers zu unterdrücken, wodurch Schäden an Zellen verhindert werden können. H₂O → 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^- (1,229 V vs. SHE) [Gleichung 5]
Da, wenn in der Elektrode vorhandenes Wasser oder Wasser, das durch befeuchtetes Gas von außen zugeführt wird, dem Wasserspaltungskatalysator 20 unter einer Spannungsumkehr-Bedingung möglicherweise nicht richtig zugeführt wird, kann die Kohlenstoffoxidationsreaktion schnell erhöht werden, so dass ein Protonenmangel entsteht, und es kann notwendig sein, dem Wasserspaltungskatalysator 20 effektiv Wasser, d.h. einen Reaktanten, zuzuführen.
2 ist eine schematische Darstellung eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Bezugnehmend auf 2 kann der Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen in Übereinstimmung mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einen ersten Katalysator 100 umfassen, der eine Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) verursachen kann, und einen zweiten Katalysator 200, der eine Wasserelektrolysereaktion, d.h. eine Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), mit dem ersten Katalysator 100 verursachen kann. Ferner kann die Außenfläche des ersten Katalysators 100 mit einem ersten lonomerbindemittel 110 und die Außenfläche des zweiten Katalysators 200 mit einem zweiten lonomerbindemittel 220 beschichtet werden. In einigen Fällen kann das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 220 niedriger sein als das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110.
Wie in 2 gezeigt, kann der erste Katalysator (d.h. ein Katalysator für die Wasserstoffoxidationsreaktion) 100 einen Katalysator vom Trägertyp umfassen, bei dem die Katalysatorteilchen 10 auf einem Kohlenstoffträger 11 aufgebracht sind. Der Kohlenstoffträger 11 kann aus einer Gruppe mit Ruß (CB), Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), Kohlenstoff-Nanofasern (CNF), Kohlenstoff-Nanodrähten (CNW), Kohlenstoff-Nanohörnern (CNH), Graphen oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese einschließen. Dabei können die Kohlenstoffpartikel 10 auf den Kohlenstoffträger 11 aufgebracht werden.
Darüber hinaus kann der erste Katalysator 100 z.B. einen Metallkatalysator umfassen. Zum Beispiel können, wie in 2 dargestellt, die Katalysatorteilchen 10 des ersten Katalysators 100 Teilchen eines Metallkatalysators sein. Der Metallkatalysator kann z.B. aus einer Gruppe mit Platin (Pt), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese einschließen.
Darüber hinaus kann der zweite Katalysator 200 z.B. zumindest Metallnanopartikel oder ein Metalloxid umfassen. Dieses Metall des zweiten Katalysators 200 kann ein Metall aus einer Gruppe mit Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese einschließen.
Darüber hinaus kann der zweite Katalysator 200 z.B. einen Trägerkatalysator umfassen, bei dem Katalysatorteilchen auf einem Träger aufgebracht sind. Daher kann die Reaktionsfläche des zweiten Katalysators 200 weiter vergrößert werden. Der Träger kann z.B. aus einer Gruppe mit Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanodrähten, Kohlenstoff-Nanohörnern, Graphen, Titanoxid, Ceroxid, Nioboxid, Wolframoxid, Titancarbid, Titannitrid oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese einschließen.
Ferner kann der Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen in Bezug auf das Gewicht des ersten Katalysators 100, d.h. des Katalysators für die Wasserstoffoxidationsreaktion, 2 Gew.-% bis 80 Gew.-% des zweiten Katalysators 200 umfassen. Beträgt der Gehalt des zweiten Katalysators 200 weniger als 2 % des Gewichts des ersten Katalysators 100, so kann die Protonenversorgungskapazität bei Spannungsumkehr gering sein, so dass es schwierig sein kann, den Anstieg der Spannung der Elektrode (d.h. der Anode) zu unterdrücken. Überschreitet andererseits der Gehalt des zweiten Katalysators 200 80 % des Gewichts des ersten Katalysators 100, so kann die Zufuhr von Wasserstoffgas, das ein Reaktant der Wasserstoffoxidationsreaktion sein kann, unter normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, bei denen keine Spannungsumkehr stattfindet, behindert werden, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle verringert und somit die Materialkosten aufgrund des Einsatzes einer übermäßigen Menge des zweiten Katalysators 200 erhöht werden können.
Wie in 2 gezeigt, kann das erste lonomerbindemittel 110 auf den ersten Katalysator 100, bei dem es sich um einen Wasserstoffoxidations-Reaktionskatalysator vom Trägertyp handeln kann, der die Katalysatorteilchen 10 und den Kohlenstoffträger 11 umfasst, aufgetragen werden und kann somit Komponenten des ersten Katalysators 100 binden und Protonen, d.h. ein Reaktionsprodukt, übertragen. Das erste lonomerbindemittel 110 kann eines aus einer Gruppe, ausgewählt aus einem lonomer auf der Basis von perfluorierter Sulfonsäure (PFSA), einem lonomer auf Kohlenwasserstoffbasis oder einer Kombination von diesen sein oder ein solches einschließen. In einem Beispiel kann das erste lonomerbindemittel 110 ein lonomer auf PFSA-Basis sein.
Ferner kann, wie in 2 gezeigt, das zweite lonomerbindemittel 220 auf den zweiten Katalysator 200 aufgetragen werden und derart dazu dienen, den zweiten Katalysator 200 zu binden, dem zweiten Katalysator 200 Wasser zuzuführen und Protonen, d.h. das Reaktionsprodukt, zu übertragen. Das zweite lonomer 220 kann ein lonomer sein, das aus einer Gruppe mit einem lonomer auf der Basis von perfluorierter Sulfonsäure (PFSA), einem lonomer auf Kohlenwasserstoffbasis und einer Kombination von diesen ausgewählt ist oder solche einschließt. In einem Beispiel kann das zweite lonomer 220 ein lonomer auf PFSA-Basis sein.
Der Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach einem erfindungsgemäßen Beispiel unterscheidet sich von dem herkömmlichen Katalysatorkomplex dadurch, dass das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 220 niedriger sein kann als das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110.Zum Beispiel kann das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 220 92% oder weniger des Äquivalentgewichts (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 betragen, d.h. das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 220 kann um 8% oder mehr niedriger sein als das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110. Dadurch kann bei einer Spannungsumkehr der Brennstoffzelle dem zweiten Katalysator 200, der in der Elektrode (z.B. der Anode) vorhanden ist, problemlos Wasser zugeführt werden, und folglich kann der Spannungsumkehrwiderstand des Brennstoffzellenstapels erhöht werden. Wenn das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 220 größer als das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 oder um weniger als 8 % niedriger als das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 ist, kann es bei einer Spannungsumkehr vorkommen, dass dem zweiten Katalysator 200 nicht genügend Wasser entsprechend dem Reaktanten zugeführt wird, so dass es schwierig sein kann, den Anstieg der Spannung der Elektrode (d.h. der Anode) über einen langen Zeitraum zu unterbinden.
Das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 kann 700 bis 1200 betragen. Hierbei kann das Äquivalentgewicht (EW) das Trockengewicht eines lonomers pro Mol einer Sulfonsäuregruppe bedeuten, die in einem lonomerbindemittel enthalten ist. Wenn das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 weniger als 700 beträgt, kann die mechanische Steifigkeit des ersten lonomerbindemittels 110 verringert sein, und der Wassergehalt im ersten lonomerbindemittel 110 kann übermäßig erhöht sein, so dass es während des Betriebs der Brennstoffzelle zu einer Wasserflutung in der Elektrode kommen kann. Überschreitet andererseits das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 den Wert 1200, kann die Protonenleitfähigkeit gesenkt und damit die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert werden. In einigen Fällen kann das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 zwischen 725 und 1100 liegen.
Nachfolgend werden Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einschließlich eines Katalysatorkomplexes für Brennstoffzellen in Übereinstimmung mit mehreren erfindungsgemäßen Ausführungsformen beschrieben. Aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung wurde auf eine detaillierte Beschreibung eines Teils der Konstruktion und des Betriebs einer Ausführungsform verzichtet, der im Wesentlichen mit dem oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen übereinstimmen.
Zunächst kann, bezugnehmend auf die 3, ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen, die einen Katalysatorkomplex in Übereinstimmung mit einer erfindungsgemäße Ausführungsform umfasst, das Herstellen eines ersten beschichteten Katalysators durch Beschichten eines ersten Katalysators mit einem ersten lonomerbindemittel umfassen (Schritt S100), das Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators durch Beschichten eines zweiten Katalysators mit einem zweiten lonomerbindemittel mit einem Äquivalentgewicht (EW), das 92% oder weniger des Äquivalentgewichts (EW) des ersten lonomerbindemittels 110 betragen kann (Schritt S200), das Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen des ersten beschichteten Katalysators, des zweiten beschichteten Katalysators und eines Lösungsmittels (Schritt S300) und das Herstellen der Elektrode unter Verwendung der Katalysatortinte (Schritt S400).
Zur Vorbereitung des ersten beschichteten Katalysators (Schritt S100) kann z.B. der erste Katalysator, der Partikel eines Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysators und einen Kohlenstoffträger, der die Katalysatorpartikel trägt, mit dem ersten lonomerbindemittel beschichtet werden. Wie vorstehend beschrieben, kann bei der vorliegenden Erfindung der erste Katalysator der Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysator sein. Ferner kann zur Vorbereitung des zweiten beschichteten Katalysators (Schritt S200) z.B. der zweite Katalysator, der einem wasserspaltenden Katalysator entspricht, mit dem zweiten lonomerbindemittel beschichtet werden. Obwohl 3 zeigt, dass die Katalysatortinte vorbereitet wird (Schritt S300), indem der zweite beschichtete Katalysator (Schritt S200) nach der Vorbereitung des ersten beschichteten Katalysators (Schritt S100) hergestellt wird, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Das heißt, die Katalysatortinte kann hergestellt werden (Schritt S300), indem gleichzeitig das Herstellen des ersten beschichteten Katalysators (Schritt S100) und das Herstellen des zweiten beschichteten Katalysators (Schritt S200) durchgeführt wird, oder indem der erste beschichtete Katalysator (Schritt S100) nach der Herstellung des zweiten beschichteten Katalysators (Schritt S200) hergestellt wird.
In einigen Fällen kann das Lösungsmittel bei der Vorbereitung der Katalysatortinte (Schritt S300) z.B. zumindest Alkohol oder entionisiertes Wasser umfassen. Der Alkohol kann aus einer Gruppe mit Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (nPA), Ethylalkohol oder Kombinationen von diesen ausgewählt sein oder diese einschließen. Daher kann zum Herstellen der Katalysatortinte (Schritt S300) die Katalysatortinte (z.B. Anode) durch Mischen des ersten Katalysators (d.h. des Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysators), der mit dem ersten lonomerbindemittel beschichtet ist, des zweiten Katalysators (d.h. des wasserspaltenden Katalysators), der mit dem zweiten lonomerbindemittel beschichtet ist, und des Lösungsmittels hergestellt werden.
Ferner kann, wie oben beschrieben, beim Herstellen der Katalysatortinte (Schritt S300) die hergestellte Katalysatortinte in Bezug auf das Gewicht des ersten beschichteten Katalysators 2 Gew.-% bis 80 Gew.-% des zweiten beschichteten Katalysators umfassen.
Beim Herstellen der Elektrode (z.B. der Anode) (Schritt S400) kann die Elektrode durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, z.B. mit einem Abziehbildübertragungsverfahren, einem Sprühverfahren oder einem Tintenstrahldruckverfahren.
Wird zum Beispiel das Abziehbildübertragungsverfahren zum Herstellen der Elektrode verwendet wird (Schritt S400), so kann eine Abziehbildelektrode hergestellt werden, indem die Katalysatortinte unter Verwendung eines Stabbeschichters auf einen Abziehbildübertragungsfilm aufgetragen wird und der mit der Katalysatortinte beschichtete Abziehbildübertragungsfilm ausreichend getrocknet wird. Bei der hergestellten Abziehbild-Elektrode kann die Beladung mit einem darin enthaltenen Metallkatalysator (z.B. Platin (Pt)) durch Steuern des Gehalts oder der Beschichtungsdicke der Katalysatortinte eingestellt werden. Da außerdem, wenn die auf dem Abziehbildübertragungsfilm beschichtete Abziehbildelektrode auf eine Elektrolytmembran übertragen wird, der Abziehbildübertragungsfilm leicht von der Elektrolytmembran getrennt werden können sollte und den Bedingungen einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung ausreichend standhalten sollte, kann der Abziehbildübertragungsfilm ein hitzebeständiges Polymer verwenden. Das hitzebeständige Polymer kann z.B. ein oder mehrere Polymere enthalten, die aus einer Gruppe mit Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly(ethylenterephthalat) (PET), Poly(butylenterephthalat) (PBT), Poly(trimethylenterephthalat) (PTT), Poly(ethylennaphthalat) (PEN) und Polyimid (PI) ausgewählt sind oder diese einschließen. Danach kann die Abziehbild-Elektrode auf die Elektrolytmembran thermokomprimiert und dann der Abziehbildübertragungsfilm entfernt werden, wodurch eine Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzellen hergestellt wird.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen einschließlich eines Katalysatorkomplexes in Übereinstimmung mit einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben. Der Einfachheit halber wird auf eine detaillierte Beschreibung desjenigen Teils der Konstruktion und des Betriebs dieser Ausführungsform, der im Wesentlichen mit dem oben unter Bezugnahme auf die 1-3 beschriebenen identisch ist, verzichtet.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen in Übereinstimmung mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform kann beispielsweise das Herstellen eines ersten beschichteten Katalysators (bezogen auf Schritt S100 von 3) das Herstellen einer ersten gemischten Lösung umfassen, die einen ersten Katalysator, ein erstes lonomerbindemittel und ein erstes Lösungsmittel umfasst (Schritt S101), und kann das Herstellen des ersten beschichteten Katalysators durch Durchführung von Trocknung und Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung (Schritt S110) umfassen.
Beim Herstellen der ersten gemischten Lösung (Schritt S101) beispielsweise kann die erste gemischte Lösung hergestellt werden, indem der erste Katalysator 100, d.h. ein Katalysator für die Wasserstoffoxidationsreaktion, und das erste lonomerbindemittel in das erste Lösungsmittel gegeben werden, ein erhaltenes Gemisch bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Rührwerks ausreichend gerührt wird und dann eine Ultraschallbehandlung des Gemischs durchgeführt wird.
In einigen Fällen kann beim Herstellen der ersten gemischten Lösung (Schritt S101) die erste gemischte Lösung bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Katalysators (d.h. des Katalysators der Wasserstoffoxidationsreaktion) und des ersten lonomerbindemittels z.B. 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% des ersten lonomerbindemittels enthalten. Beträgt der Gehalt des ersten lonomerbindemittels, bezogen auf das Gesamtgewicht, weniger als 10 Gew.-%, so kann es schwierig sein, den ersten Katalysator (einschließlich des Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysators) in einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur ausreichend zu verbinden und zu binden. Übersteigt andererseits der Gehalt des ersten lonomerbindemittels, bezogen auf das Gesamtgewicht, 50 Gew.-%, so kann eine übermäßige Menge des ersten lonomerbindemittels die Poren in der Elektrode schließen und es kann zu einer Wasserflutung in der Elektrode kommen. In einigen Fällen können, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Katalysators und des ersten lonomerbindemittels, 20 Gew.-% bis 35 Gew.-% des ersten lonomerbindemittels verwendet werden.
Außerdem kann das erste Lösungsmittel zumindest Alkohol oder entionisiertes Wasser umfassen, und der Alkohol kann aus einer Gruppe mit Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (nPA), Ethylalkohol und Kombinationen ausgewählt sein oder diese einschließen.
Beim Herstellen des ersten beschichteten Katalysators durch Durchführen einer Trocknung und Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung (Schritt S110) kann das erste Lösungsmittel durch Trocknen der hergestellten ersten gemischten Lösung entfernt werden, und dann kann die gesamte Oberfläche des ersten Katalysators mit dem ersten lonomerbindemittel beschichtet werden, indem eine Wärmebehandlung des erhaltenen kuchenartigen ersten Katalysators (d.h. des Katalysators der Wasserstoffoxidationsreaktion) und des ersten lonomerbindemittels in einem Trockner durchgeführt wird.
Beim Herstellen des ersten Beschichtungskatalysators durch Trocknung und Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung (Schritt S110) kann die Wärmebehandlung z.B. in einem Bereich von der α-Übergangstemperatur T_α des ersten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur durchgeführt werden, die um 100 °C höher ist als die α-Übergangstemperatur T_α. Hierbei kann die α-Übergangstemperatur T_α eine Temperatur bedeuten, bei der sich die Kristallinität eines Polymers plötzlich ändert. Ist die Temperatur der Wärmebehandlung (in Schritt S110) niedriger ist als die α-Übergangstemperatur T_α des ersten lonomerbindemittels, kann die Bindungskraft zwischen dem ersten Katalysator (d.h. dem Katalysator der Wasserstoffoxidationsreaktion) und dem ersten lonomerbindemittel niedrig sein. Daher können der erste Katalysator und das erste lonomerbindemittel voneinander getrennt werden, wenn sie in das Lösungsmittel umverteilt werden. Übersteigt andererseits die Temperatur der Wärmebehandlung (in Schritt S110) die um Temperatur der α-Übergangstemperatur T_α um mehr als 100 °C, kann der thermische Abbau des ersten lonomerbindemittels beschleunigt oder ein Kristallinitätsgrad des ersten lonomerbindemittels übermäßig erhöht werden. Daher kann es vorkommen, dass das erste lonomerbindemittel aufgrund der abnehmenden Löslichkeit nicht in das Lösungsmittel umverteilt wird. Wird danach die Membran-Elektroden-Anordnung hergestellt, so kann die Grenzflächenhaftung zwischen der Elektrode und der Elektrolytmembran herabgesetzt sein. In einigen Fällen kann die Temperatur der Wärmebehandlung (in Schritt S110) in einem Bereich von der α-Übergangstemperatur Todes ersten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur, die um 50 °C höher ist als die α-Übergangstemperatur T_α, liegen Die α-Übergangstemperatur T_α des ersten lonomerbindemittels kann z.B. 60°C bis 130°C betragen, ohne darauf beschränkt zu sein. Mit anderen Worten, die α-Übergangstemperatur T_α des ersten lonomerbindemittels kann je nach Art und Struktur des lonomers variiert werden.
Weiterhin kann die Wärmebehandlung (in Schritt S110) z.B. 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden. Mit anderen Worten, die Wärmebehandlung des ersten Katalysators (d.h. des Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysators) und des ersten lonomerbindemittels kann für 10 Minuten bis zu 10 Stunden durchgeführt werden. In einigen Fällen kann die Wärmebehandlung des ersten Katalysators (d.h. des Wasserstoffoxidationsreaktionskatalysators) und des ersten lonomerbindemittels (in Schritt S110) z.B. im Bereich der α-Übergangstemperatur T_α des ersten lonomerbindemittels bis zu der Temperatur, die um 100 °C höher ist als die α-Übergangstemperatur T_α, für 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden. Beträgt die Wärmebehandlungszeit weniger als 10 Minuten, so können die Auswirkungen der Wärmebehandlung unbedeutend sein, und wenn die Wärmebehandlungszeit mehr als 10 Stunden beträgt, kann der thermische Abbau des ersten lonomerbindemittels beschleunigt oder der Kristallinitätsgrad des ersten lonomerbindemittels übermäßig erhöht sein. Dadurch kann die Prozesszykluszeit erhöht werden. In einigen Fällen kann eine solche Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung (in Schritt S110) für 30 Minuten bis 5 Stunden durchgeführt werden.
Wie in 4 gezeigt, kann das Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators (bezogen auf Schritt S200 von 3) das Herstellen einer zweiten gemischten Lösung umfassen, die einen zweiten Katalysator, ein zweites lonomerbindemittel und ein zweites Lösungsmittel enthält (Schritt S202), und das Herstellen des zweiten beschichteten Katalysators durch Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung (Schritt S220).
Beim Herstellen der zweiten gemischten Lösung (Schritt S202) kann z.B. die zweite gemischte Lösung hergestellt werden, indem der zweite Katalysator (d.h. ein wasserspaltender Katalysator) und das zweite lonomerbindemittel in das zweite Lösungsmittel gegeben werden, ein erhaltenes Gemisch bei Raumtemperatur mit einem Rührwerk ausreichend gerührt und dann eine Ultraschallbehandlung des Gemisches durchgeführt werden.
Beim Herstellen der zweiten gemischten Lösung (Schritt S202) kann die zweite gemischte Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten Katalysators und des zweiten lonomerbindemittels, z.B. 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% des zweiten lonomerbindemittels enthalten. Beträgt der Gehalt des zweiten lonomerbindemittels, bezogen auf das Gesamtgewicht, weniger als 5 Gew.-%, so kann es sein, dass das zweite lonomerbindemittel den zweiten Katalysator (d.h. den wasserspaltenden Katalysator) nicht ausreichend umgibt, dass Wasser, das einem Reaktanten entspricht, dem zweiten Katalysator bei einer Spannungsumkehr nicht gleichmäßig zugeführt wird, so dass es dann schwierig ist, die Spannungsumkehrfestigkeit des Brennstoffzellenstapels zu verbessern. Überschreitet andererseits der Gehalt des zweiten lonomerbindemittels in Bezug auf das Gesamtgewicht den Wet von 40 Gew.-%, so kann dem zweiten Katalysator (d.h. dem Wasserspaltungskatalysator) bei Spannungsumkehr problemlos Wasser als Reaktant zugeführt werden, jedoch kann eine übermäßige Menge des zweiten lonomerbindemittels die Poren in der Elektrode schließen, und es kann unter normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, bei denen keine Spannungsumkehr auftritt, zu einer Wasserüberflutung in der Elektrode kommen. In einigen Fällen können, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten Katalysators und des zweiten lonomerbindemittels, 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% des zweiten lonomerbindemittels verwendet werden.
Ferner kann das zweite Lösungsmittel ein Lösungsmittel sein, das beispielsweise aus einer Gruppe mit Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (nPA), Ethylalkohol oder Kombinationen von diesen ausgewählt wird oder diese einschließt.
Beim Herstellen des zweiten beschichteten Katalysators durch Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung (Schritt S220) kann das zweite Lösungsmittel durch Trocknung der hergestellten zweiten gemischten Lösung entfernt werden. Dann kann die gesamte Oberfläche des zweiten Katalysators mit dem zweiten lonomerbindemittel beschichtet werden, indem eine Wärmebehandlung des erworbenen kuchenartigen zweiten Katalysators (z.B. einschließlich des wasserspaltenden Katalysators) und des zweiten lonomerbindemittels in einem Trockner durchgeführt wird.
Beim Herstellen des zweiten beschichteten Katalysators durch Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung (Schritt S220) kann die Wärmebehandlung z.B. in einem Bereich von der α-Übergangstemperatur T_α des zweiten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur durchgeführt werden, die um 100°C höher ist als die α-Übergangstemperatur T_α.
Ist die Temperatur der Wärmebehandlung (im Schritt S220) niedriger ist als die α-Übergangstemperatur T_α des zweiten lonomerbindemittels, so kann die Bindungskraft zwischen dem zweiten Katalysator (einschließlich des wasserspaltenden Katalysators) und dem zweiten lonomerbindemittel derart niedrig sein, dass der zweite Katalysator und das zweite lonomerbindemittel voneinander getrennt werden können, wenn sie in das Lösungsmittel umverteilt werden. Übersteigt andererseits die Temperatur der Wärmebehandlung (im Schritt S220) die Temperatur über der α-Übergangstemperatur T_α um 100 °C, so kann der thermische Abbau des zweiten lonomerbindemittels beschleunigt oder ein Kristallinitätsgrad des zweiten lonomerbindemittels übermäßig erhöht sein, so dass das zweite lonomerbindemittel aufgrund der Abnahme der Löslichkeit nicht in das Lösungsmittel umverteilt werden kann. Wird die Membran-Elektroden-Anordnung danach hergestellt, so kann außerdem die Grenzflächenhaftung zwischen der Elektrode und der Elektrolytmembran vermindert sein. In einigen Fällen kann die Temperatur der Wärmebehandlung (im Schritt S220) in einem Bereich von der α-Übergangstemperatur T_α des zweiten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur liegen, die um 50 °C höher ist als die α-Übergangstemperatur T_α. Die α-Übergangstemperatur T_α des zweiten lonomerbindemittels kann z.B. 60 °C bis 130 °C betragen, ohne darauf beschränkt zu sein. Das heißt, die α-Übergangstemperatur T_α des zweiten lonomerbindemittels kann je nach Art und Struktur des lonomers variiert werden.
Weiterhin kann die Wärmebehandlung (in Schritt S220) z.B. 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden. Das heißt, die Wärmebehandlung des zweiten Katalysators (einschließlich des wasserspaltenden Katalysators) und des zweiten lonomerbindemittels kann für 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden. In einigen Fällen kann die Wärmebehandlung des zweiten Katalysators (einschließlich des wasserspaltenden Katalysators) und des zweiten lonomerbindemittels (in Schritt S220) z.B. innerhalb des Bereichs der α-Übergangstemperatur T_α des zweiten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur, die um 100 °C höher ist als die α-Übergangstemperatur T_α für 10 Minuten bis 10 Stunden durchgeführt werden. Beträgt die Wärmebehandlungszeit weniger als 10 Minuten, so können die Auswirkungen der Wärmebehandlung unbedeutend sein, und beträgt die Wärmebehandlungszeit mehr als 10 Stunden, so kann der thermische Abbau des zweiten lonomerbindemittels beschleunigt oder der Kristallinitätsgrad des zweiten lonomerbindemittels übermäßig erhöht sein. Dadurch kann die Prozesszykluszeit erhöht werden. Eine solche Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung (im Betrieb S220) kann 30 Minuten bis 5 Stunden dauern.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen einschließlich eines Katalysatorkomplexes in Übereinstimmung mit einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben. Der Einfachheit halber wurde auf eine detaillierte Beschreibung eines Teils der Konstruktion und des Betriebs dieser Ausführungsform, der im Wesentlichen mit den oben unter Bezugnahme auf die 1-4 beschriebenen identisch ist, verzichtet.
Bezugnehmend auf die 5 kann das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen einschließlich eines Katalysatorkomplexes gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform das Herstellen einer ersten gemischten Lösung einschließlich eines ersten Katalysators, eines ersten lonomerbindemittels und eines ersten Lösungsmittels (Schritt S101), das Herstellen einer zweiten gemischten Lösung einschließlich eines zweiten Katalysators umfassen, ein zweites lonomerbindemittel und ein zweites Lösungsmittel (Schritt S202), das Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators durch Durchführen von Trocknen und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung (Schritt S220), das Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen der ersten gemischten Lösung und des zweiten beschichteten Katalysators (Schritt S350), und das Herstellen der Elektrode unter Verwendung der Katalysatortinte (Schritt S400).
Das Verfahren nach dieser Ausführungsform unterscheidet sich von den oben beschriebenen Verfahren nach den erstgenannten Ausführungsformen dadurch, dass bei der Herstellung der Katalysatortinte (Schritt S350) die Katalysatortinte (z.B. Anode) durch Mischen der ersten in Schritt S101 hergestellten gemischten Lösung mit dem zweiten in Schritt S220 hergestellten beschichteten Katalysator hergestellt werden kann. Mit anderen Worten, das Verfahren nach dieser Ausführungsform unterscheidet sich von den oben beschriebenen Verfahren nach den erstgenannten Ausführungsformen dadurch, dass bei der Herstellung der Katalysatortinte (Schritt S350) die Katalysatortinte (z.B. Anode) durch Mischen der ersten gemischten Lösung einschließlich des ersten Katalysators (einschließlich des Katalysators der Wasserstoffoxidationsreaktion) hergestellt werden kann, das erste lonomerbindemittel und das erste Lösungsmittel mit dem zweiten beschichteten Katalysator (einschließlich des wasserspaltenden Katalysators), hergestellt durch Beschichten des zweiten Katalysators mit dem zweiten lonomerbindemittel, ohne Trocknung und Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung durchzuführen.
Dadurch kann die Spannungsumkehrfestigkeit des Brennstoffzellenstapels durch einen einfacheren Prozess und ein kostengünstiges Verfahren verbessert und damit eine Verbesserung der Produktivität und Marktfähigkeit sowie eine Kostenreduzierung des Brennstoffzellenstapels bei begrenzten Ressourcen und Energieeinsparung erreicht werden.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann ein Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen und eine Elektrode (z.B. eine Anode), die denselben nach einigen erfindungsgemäßen Beispielen umfasse, eine gleichmäßige Wasserzufuhr zu einem wasserspaltenden Katalysator bewirken und so einen übermäßigen Spannungsanstieg einer Elektrode bei Spannungsumkehr unterdrücken.
Darüber hinaus kann die Elektrode den Spannungsumkehrwiderstand eines Brennstoffzellenstapels verbessern und dadurch die Fahrstabilität eines Fahrzeugs unter verschiedenen Fahrbedingungen verbessern.
Die Elektrode einschließlich des Katalysatorkomplexes, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, kann durch einen einfacheren Prozess und ein kostengünstiges Verfahren die Spannungsumkehrfestigkeit des Brennstoffzellenstapels verbessern und so eine Verbesserung der Produktivität und Marktfähigkeit und eine Kostensenkung des Brennstoffzellenstapels mit begrenzten Ressourcen und eine Energieeinsparung realisieren.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsformen ausführlich beschrieben. Fachleute erkennen jedoch unmittelbar, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den erfindungsgemäßen Prinzipien und der Erfindungsidee abzuweichen, deren Schutzumfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen, wobei der Katalysatorkomplex in einer Elektrode für Brennstoffzellen umfasst ist, wobei der Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen aufweist: einen ersten Katalysator, der eingerichtet ist, eine Wasserstoffoxidationsreaktion zu bewirken; und einen zweiten Katalysator, der eingerichtet ist, eine Wasserelektrolysereaktion mit dem ersten Katalysator zu bewirken, wobei eine äußere Oberfläche des ersten Katalysators mit einem ersten lonomerbindemittel beschichtet ist und eine äußere Oberfläche des zweiten Katalysators mit einem zweiten lonomerbindemittel beschichtet ist, und wobei sich ein Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels von einem Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels unterscheidet.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei das Äquivalentgewicht (EW) des zweiten lonomerbindemittels 92% oder weniger des Äquivalentgewichts (EW) des ersten lonomerbindemittels beträgt.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei das Äquivalentgewicht (EW) des ersten lonomerbindemittels 700 bis 1200 beträgt.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator einen Katalysator vom Trägertyp umfasst, bei dem Katalysatorteilchen auf einem Kohlenstoffträger getragen werden, und wobei der Kohlenstoffträger aus einer Gruppe mit Ruß (CB), Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), Kohlenstoff-Nanofasern (CNFs), Kohlenstoff-Nanodrähte (CNWs), Kohlenstoff-Nanohörner (CNHs), Graphen oder Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator einen Metallkatalysator umfasst, wobei der Metallkatalysator aus einer Gruppe mit Platin (Pt), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) oder Kombinationen von diesen ausgewählt ist, wobei der zweite Katalysator zumindest Metallnanopartikel oder ein Metalloxid umfasst, und wobei das Metall aus einer Gruppe mit Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Yttrium (Y) oder Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der zweite Katalysator einen Katalysator vom Trägertyp umfasst, bei dem Katalysatorteilchen auf einem Träger aufgebracht sind.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 6, wobei der Träger aus einer Gruppe mit Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanohörner, Graphen, Titanoxid, Ceroxid, Nioboxid, Wolframoxid, Titancarbid, Titannitrid oder Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
Katalysatorkomplex für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der Gehalt des zweiten Katalysators, bezogen auf das Gewicht des ersten Katalysators, 2 Gew.-% bis 80 Gew.-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen mit einem Katalysatorkomplex, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines ersten beschichteten Katalysators durch Beschichten eines ersten Katalysators mit einem ersten lonomerbindemittel; Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators durch Beschichten eines zweiten Katalysators mit einem zweiten lonomerbindemittel mit einem Äquivalentgewicht (EW), das 92% oder weniger eines Äquivalentgewichts (EW) des ersten lonomerbindemittels beträgt; Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen des ersten beschichteten Katalysators, des zweiten beschichteten Katalysators und eines Lösungsmittels; und Herstellen der Elektrode unter Verwendung der Katalysatortinte.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei bei der Herstellung der Katalysatortinte das Lösungsmittel zumindest Alkohol oder entionisiertes Wasser umfasst, und wobei der Alkohol aus einer Gruppe mit Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (nPA), Ethylalkohol oder Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite Katalysator in der Katalysatortinte, bezogen auf das Gewicht des ersten Katalysators, einen Gehalt von 2 Gew.-% bis 80 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Herstellen des ersten beschichteten Katalysators umfasst: Herstellen einer ersten gemischten Lösung, die den ersten Katalysator, das erste lonomerbindemittel und ein erstes Lösungsmittel umfasst; und Durchführen von Trocknung und Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste lonomerbindemittel in der ersten gemischten Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Katalysators und des ersten lonomerbindemittels, einen Gehalt von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei beim Durchführen der Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung die Wärmebehandlung innerhalb eines Bereichs von einer α-Übergangstemperatur des ersten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur durchgeführt wird, die um 100 □ höher ist als die α-Übergangstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei beim Durchführen der Wärmebehandlung der ersten gemischten Lösung diese Wärmebehandlung für 10 Minuten bis zu 10 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Herstellen des zweiten beschichteten Katalysators umfasst: Herstellen einer zweiten gemischten Lösung, umfassend den zweiten Katalysator, das zweite lonomerbindemittel und ein zweites Lösungsmittel; und Durchführen von Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das zweite lonomerbindemittel in der zweiten gemischten Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten Katalysators und des zweiten lonomerbindemittels, einen Gehalt von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei beim Durchführen der Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung die Wärmebehandlung innerhalb eines Bereichs von einer α-Übergangstemperatur des zweiten lonomerbindemittels bis zu einer Temperatur durchgeführt wird, die um 100 □ höher ist als die α-Übergangstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei beim Durchführen der Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung diese Wärmebehandlung für 10 Minuten bis zu 10 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für Brennstoffzellen, die einen Katalysatorkomplex aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer ersten gemischten Lösung, die einen ersten Katalysator, ein erstes lonomerbindemittel und ein erstes Lösungsmittel umfasst; Herstellen einer zweiten gemischten Lösung, die einen zweiten Katalysator, ein zweites lonomerbindemittel und ein zweites Lösungsmittel umfasst; Herstellen eines zweiten beschichteten Katalysators mittels Durchführen von Trocknung und Wärmebehandlung der zweiten gemischten Lösung; Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen der ersten gemischten Lösung und des zweiten beschichteten Katalysators; und Herstellen der Elektrode unter Verwendung der Katalysatortinte.