DE102022106413A1

DE102022106413A1 - Katalysatorschicht und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE102022106413A1
Application number: DE102022106413.1A
Authority: DE
Inventors: Shinsuke Hirono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2022-09-29
Also published as: JP7452480B2; CN115133040A; US20220311016A1; JP2022148983A

Abstract

Es wird eine Katalysatorschicht bereitgestellt, welche konfiguriert ist, die Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle zu erhöhen. Eine Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, wobei die Katalysatorschicht einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer umfasst; wobei der Katalysator-tragende Kohlenstoff bei einer durch die Laserbeugungs-/Laserstreuungsverfahren erhaltene Partikelgrößenverteilung mindestens zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr aufweist; wobei die Katalysatorschicht, wenn eine Dicke der Katalysatorschicht in drei gleiche Teile geteilt wird, einen ersten Bereich auf einer Gasdiffusionsschicht-Seite, einen zweiten Bereich in einem mittleren Teil, und ein dritter Bereich auf einer Elektrolytmembran-Seite aufweist; wobei ein Hohlraumanteil VGdes ersten Bereichs 5 % oder mehr als ein Hohlraumanteil VMdes dritten Bereichs ist; und wobei ein Massenverhältnis (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des dritten Bereichs 0,10 oder mehr höher als ein Massenverhältnis (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des zweiten Bereichs ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatorschicht und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennstoffzelle („fuel cell“, FC) ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche aus einer einzelnen Einheits-Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellen-Einheit (kann hier nachstehend als „Zelle“ bezeichnet werden), oder aus einem Brennstoffzellen-Stapel, bestehend aus gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten (kann hier nachstehend als „Stapel“ bezeichnet werden), besteht, und welche elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoffgas (z.B. Wasserstoff) und Oxidansgas bzw. Oxidationsgas (z.B. Sauerstoff) erzeugt. In vielen Fällen sind das Brennstoffgas und das Oxidansgas, welche der Brennstoffzelle tatsächlich zugeführt werden, Mischungen mit Gasen, welche nicht zur Oxidation und Reduktion beitragen. Insbesondere ist das Oxidansgas oft Luft, welche Sauerstoff enthält.
Nachstehend können hier Brennstoffgas und Oxidansgas kollektiv und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden. Ebenso können eine einzelne Brennstoffzellen-Einheit und ein Brennstoffzellen-Stapel, bestehend aus gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten, als „Brennstoffzelle“ bezeichnet werden.
Allgemein umfasst die Brennstoffzellen-Einheit eine Membranelektroden-Einheit („membrane electrode assembly“, MEA).
Die Membranelektrodeneinheit weist eine derartige Struktur auf, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht (oder „gas diffusion layer“, GDL, kann hier nachstehend einfach als „Diffusionsschicht“ bezeichnet werden) auf beiden Oberflächen einer Feststoffpolymerelektrolytmembran (kann hier nachstehend einfach als „Elektrolytmembran“ oder „Membran“ bezeichnet werden) nacheinander ausgebildet sind. Dementsprechend kann die Membranelektroden-Einheit als „Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit“ („membrane electrode gas diffusion layer assembly“, MEGA) bezeichnet werden.
Bei Bedarf umfasst die Brennstoffzellen-Einheit zwei Separatoren, welche beide Seiten der Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit sandwichartig umgeben. Allgemein weisen die Separatoren eine derartige Struktur auf, dass eine Nut bzw. Rille als ein Reaktionsgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht ausgebildet ist. Die Separatoren weisen elektrische Leitfähigkeit auf und funktionieren als ein Sammler bzw. Abnehmer von erzeugter Elektrizität.
In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird Wasserstoff (H₂) als das Brennstoffgas, welches von dem Gasströmungspfad und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, durch die katalytische Wirkung der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff wandert zur Oxidanselektrode (Kathode) über die Elektrolytmembran. Ein Elektron wird zur selben Zeit erzeugt, und es passiert bzw. wandert bzw. fließt durch einen externen Schaltkreis, verrichtet Arbeit, und wandert bzw. fließt dann zur Kathode. Sauerstoff (O₂) als das Oxidansgas, welches der Kathode zugeführt wird, reagiert mit Protonen und Elektronen in der Katalysatorschicht der Kathode, wodurch Wasser erzeugt wird. Das erzeugte Wasser gibt geeignete Feuchtigkeit an die Elektrolytmembran ab, und überschüssiges Wasser dringt durch die Gasdiffusionsschicht und wird dann an die Umgebung des Systems abgegeben.
Verschiedene Studien wurden an Brennstoffzellen durchgeführt, welche konfiguriert sind, um in elektrischen Brennstoffzellen-Fahrzeugen (nachstehend auch als „Fahrzeug“ bezeichnet) installiert und verwendet zu werden.
Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 eine Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle, welche eine auf einer Seite einer Feststoffelektrolytschicht ausgebildete Kathodenschicht und eine auf der anderen Seite der Feststoffelektrolytschicht ausgebildete Anodenschicht umfasst.
Patentliteratur 2 offenbart eine Brennstoffzelle, welche eine Katalysatorelektrode enthält, welche eine hocheffiziente Verwendungsrate eines Platin-Katalysators aufweist und welche einfach herzustellen ist.
Patentliteratur 3 offenbart eine Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle, welche darauf gerichtet ist, die Stromerzeugungseffizienz durch Verbessern der Leistung eines Stromabnehmers zu erhöhen.
Patentliteratur 4 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Katalysatorschicht für eine Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, welche eine Mikrostruktur mit guter Ionenleitfähigkeit, Gasdurchlässigkeit und elektrischer Leitfähigkeit aufweist.

Patentliteratur 1: Veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP 2007-273144 A
Patentliteratur 2: JP 2007-265734 A
Patentliteratur 3: JP 2002-358980 A
Patentliteratur 4: JP 2003-173785 A

Zum Zweck der Erhöhung der Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle, ist es notwendig, sowohl die Diffusion von Sauerstoff, als auch die Bildung eines Protonenleiterpfades, als auch die Abgabe von produziertem Wasser in einer Kathoden-Reaktion zu erfüllen. Wenn viele Hohlräume bzw. Poren bzw. Lücken für eine bessere Gasdiffusion und Wasserabgabe gebildet werden, ist der Protonenleiterpfad blockiert und die Stromerzeugungsleistung wird verschlechtert. Andererseits werden, wenn die Anzahl an Hohlräumen erhöht wird, oder die Menge eines Ionomers übermäßig erhöht wird, um Protonenleitfähigkeit sicherzustellen, das Gasdiffusionsvermögen und die Wasserabgabe verschlechtert, und die Stromerzeugungsleistung wird nicht erhöht.
In Patentliteratur 1 ist eine Katalysatorschicht, welche einen geringen Hohlraumanteil bzw. Porenanteil aufweist, auf einer Elektrolytmembran-Seite ausgebildet, und eine Katalysatorschicht, welche einen hohen Porenanteil aufweist, ist auf einer Gasdiffusionsschicht-Seite ausgebildet.
Diese Anordnung ist zur Erhöhung der Stromerzeugungsleistung wünschenswert; jedoch führt es zu komplizierten Prozessen, da die zwei Kathoden-Katalysatorschichten, welche unterschiedliche Hohlraumanteile bzw. Porenanteile aufweisen, getrennt ausgebildet sind. Außerdem tritt, da die Katalysatorschichten separat gebildet sind, wahrscheinlich während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle eine Ablösung an deren Grenzflächen auf, und es besteht eine Möglichkeit einer Senkung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle.
KURZFASSUNG
Die offenbarten Ausführungsformen wurden im Lichte der vorstehenden Umstände erreicht. Ein Ziel der offenbarten Ausführungsformen ist es, eine Katalysatorschicht bereitzustellen, welche konfiguriert ist, um die Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle zu erhöhen.
In einer ersten Ausführungsform wird eine Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle bereitgestellt,
wobei die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst;
wobei die Katalysatorschicht einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer umfasst;
wobei der Katalysator-tragende Kohlenstoff bei einer Partikelgrößenverteilung, welche durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhalten wird, mindestens zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr aufweist;
wobei die Katalysatorschicht, wenn eine Dicke der Katalysatorschicht in drei gleiche Teile eingeteilt wird, einen ersten Bereich auf einer Gasdiffusionsschicht-Seite, einen zweiten Bereich in einem mittleren Teil, und einen dritten Bereich auf einer Elektrolytmembran-Seite aufweist;
wobei ein Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs 5 % oder mehr höher als ein Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs ist, und
wobei ein Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des dritten Bereichs 0,10 oder mehr höher als ein Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des zweiten Bereichs ist.
Der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs kann mehr als 40 % und 44 % oder weniger sein.
Der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs kann 34 % oder mehr und weniger als 40 % sein.
Der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs kann 8 % oder mehr und 10 % oder weniger höher als der Hohlraum-Anteil V_M des dritten Bereichs sein.
Das I/C des dritten Bereichs kann mehr als 0,90 und 1,30 oder weniger sein.
Das I/C des zweiten Bereichs kann mehr als 0,90 und 1,00 oder weniger sein.
Das I/C des dritten Bereichs kann 0,15 oder mehr und 0,35 oder weniger höher als das I/C des zweiten Bereichs sein.
Die Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen umfasst die Katalysatorschicht.
Das Katalysatorschicht-Herstellungsverfahren der offenbarten Ausführungsformen ist ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle,
wobei die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht, und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst;
wobei das Verfahren umfasst:

Herstellen einer Katalysatorschicht-Mischung, umfassend einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer (eine Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung),
Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen der Katalysatorschicht-Mischung und eines Lösungsmittels (ein Katalysatortinte-Herstellungsschritt), Auftragen der Katalysatortinte auf ein Transferblatt bzw. Übertragungsblatt (ein Katalysatortinte-Auftragungsschritt), und
Trocknen der Katalysatortinte bei einer Trocknungszeit von weniger als einer Minute und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels, um eine Katalysatorschicht zu bilden (ein Trocknungsschritt); und

Ein Feststoffgehalt der Katalysatortinte kann 5 Massen% oder mehr und 15 Massen% oder weniger sein.
Beim Trocknen kann die Katalysatortinte-Trocknungszeit drei Sekunden oder mehr und weniger als eine Minute sein.
Beim Trocknen kann die Katalysatortinte bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s oder mehr und 30 m/s oder weniger getrocknet werden.
Beim Trocknen kann die Katalysatortinte bei einer Temperatur von 100 °C oder mehr und 130 °C oder weniger getrocknet werden.
Gemäß der Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen kann die Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle erhöht sein.
Figurenliste
In der beigefügten Zeichnung,

ist 1 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Katalysatorschicht-Herstellungsverfahrens der offenbarten Ausführungsformen;
ist 2 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels eines herkömmlichen Katalysatorschicht-Herstellungsverfahrens;
ist 3 ein Graph, welcher die Partikelgrößenverteilung des in Beispiel 1 hergestellten, Katalysator-tragenden Kohlenstoffs (in der Form von aggregierten Partikeln), welcher durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhalten wurde, zeigt;
ist 4 ein Graph, welcher die Partikelgrößenverteilung des in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Katalysator-tragenden Kohlenstoffs (in der Form von aggregierten Partikeln), welche durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhalten wurde, zeigt;
zeigt 5 ein TEM-Bild eines Querschnitts des ersten Bereichs der Katalysatorschicht von Beispiel 1, welcher ein Bereich auf der Gasdiffusionsschicht-Seite der Katalysatorschicht ist, ein TEM-Bild eines Querschnitts des zweiten Bereichs der Katalysatorschicht von Beispiel 1, welcher ein Bereich in dem mittleren Teil der Katalysatorschicht ist, und ein TEM-Bild eines Querschnitts des dritten Bereichs der Katalysatorschicht des Beispiels 1, welcher ein Bereich auf der Elektrolytmembran-Seite der Katalysatorschicht ist;
ist 6 eine Fluoreszenz-Mikrofotographie eines Querschnitts der Katalysatorschicht von Beispiel 1;
ist 7 ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz-Intensität und der Dicke der Katalysatorschicht von Beispiel 1 zeigt;
ist 8 eine Fluoreszenz-Mikrofotographie eines Querschnitts der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 1; und
ist 9 ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz-Intensität und der Dicke der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 1 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1. Katalysatorschicht
Die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen ist eine Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle,
wobei die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst;
wobei die Katalysatorschicht einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer umfasst;
wobei der Katalysator-tragende Kohlenstoff bei einer Partikelgrößenverteilung, welche durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhalten wird, mindestens zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr aufweist;
wobei die Katalysatorschicht, wenn eine Dicke der Katalysatorschicht in drei gleiche Teile eingeteilt wird, einen ersten Bereich auf einer Gasdiffusionsschicht-Seite, einen zweiten Bereich in einem mittleren Teil, und einen dritten Bereich auf einer Elektrolytmembran-Seite aufweist;
wobei ein Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs 5 % oder mehr höher als ein Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs ist; und
wobei ein Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des dritten Bereichs 0,10 oder mehr höher als ein Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des zweiten Bereichs ist.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Katalysatorschicht-Herstellungsverfahrens der offenbarten Ausführungsformen.
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels eines herkömmlichen Katalysatorschicht-Herstellungsverfahrens.
Wie in 2 gezeigt, wird bei dem herkömmlichen Katalysatorschicht-Herstellungsverfahren eine Katalysatortinte, welche einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff enthält, welcher einen Aggregat-Partikelgrößen-Peak aufweist, verwendet, und das Lösungsmittel, welches in der Katalysatortinte enthalten ist, wird in einer Trocknungszeit von einer Minute oder mehr getrocknet. Dementsprechend gibt es keinen Unterschied in dem Hohlraumanteil und in dem Ionomer-Verhältnis zwischen der Elektrolytmembran-Seite und der Diffusionsschicht-Seite der Katalysatorschicht.
In den offenbarten Ausführungsformen wird die Katalysatorschicht hergestellt, um eine Monolith-Struktur aufzuweisen und einen geringen Hohlraumanteil auf der Elektrolytmembran-Seite und einen hohen Hohlraumanteil auf der Gasdiffusionsschicht-Seite aufzuweisen. Insbesondere sind der Katalysator-tragende Kohlenstoff und das Ionomer, welche Elemente der Katalysatorschicht sind, in der Dickenrichtung der Katalysatorschicht durch Steuern des Herstellungsverfahrens geneigt bzw. geneigt.
Wie in 1 gezeigt, wird gemäß den offenbarten Ausführungsformen eine Katalysatortinte verwendet, welche einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff enthält, welcher zwei oder mehrere Aggregat-Partikelgrößen-Peaks aufweist; die Katalysatortinte wird auf ein Transferblatt aufgetragen; das Lösungsmittel wird mit einer hohen Geschwindigkeit in einer Trocknungszeit von weniger als einer Minute getrocknet; und anschließend wird die getrocknete Tinte auf eine Elektrolytmembran transferiert bzw. übertragen, wodurch die Hohlräume in der Dickenrichtung der Katalysatorschicht auf der Diffusionsschicht-Seite erhöht werden, und das Ionomer auf der Elektrolytmembran-Seite derart ausgesetzt wird, dass die Ionomer-Menge schrittweise zunimmt. Durch Auftragen der somit hergestellten Katalysatorschicht auf der Membranelektrodeneinheit der Brennstoffzelle kann der Protonenwiderstand ohne Erhöhen des Gasdiffusionswiderstands verringert werden, und die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle kann in einem breiten Temperaturbereich erhöht werden.
Die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen ist eine Katalysatorschicht für Brennstoffzellen. Die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen kann eine Kathoden-Katalysatorschicht oder eine Anoden-Katalysatorschicht sein. Mit anderen Worten, die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen kann mindestens eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Kathoden-Katalysatorschicht und einer Anoden-Katalysatorschicht, sein. Sowohl die Kathoden-Katalysatorschicht als auch die Anoden-Katalysatorschicht können die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen sein. Die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen kann mindestens eine Kathoden-Katalysatorschicht hinsichtlich des Gesichtspunkts der weiteren Erhöhung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle sein.
Wenn die Dicke der Katalysatorschicht in drei gleiche Teile eingeteilt wird, weist die Katalysatorschicht den ersten Bereich auf der Gasdiffusionsschicht-Seite, den zweiten Bereich in dem mittleren Teil, und den dritten Bereich auf der Elektrolytmembran-Seite auf. Das heißt, wenn die Katalysatorschicht in drei gleiche Teile senkrecht zur Dickenrichtung eingeteilt wird, kann die Katalysatorschicht den ersten Bereich auf der Gasdiffusionsschicht-Seite, den zweiten Bereich in dem mittleren Teil, und den dritten Bereich auf der Elektrolytmembran-Seite aufweisen.
Die Dicke der Katalysatorschicht ist nicht besonders beschränkt, und sie kann von 3 µm bis 1000 µm sein.
Der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite kann 5 % oder mehr höher als der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite sein (das heißt, die Hohlraumanteil-Differenz ΔV (= V_G - V_M) ≥ 5 %). Dies stellt das Gasdiffusionsvermögen der Katalysatorschicht sicher. Wenn ΔV zu groß bzw. hoch ist, werden die Hohlräume auf der Elektrolytmembran-Seite unzureichend, und die Wasserabgabe-Eigenschaften und das Gasdiffusionsvermögen werden verschlechtert. Dementsprechend kann der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs 8 % oder mehr und 10 % oder weniger höher als der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs sein (das heißt, 10 % ≥ ΔV ≥ 8 %).
Der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs auf der Diffusionsschicht-Seite kann mehr als 40 % und 44 % oder weniger sein.
Der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite kann 34 % oder mehr und weniger als 40 % sein.
Der Hohlraumanteil Vc des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil ist nicht besonders beschränkt, solange er höher als der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite und geringer als der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite ist.
Der Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite kann 0,10 oder mehr höher als der Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil sein (das heißt, die Tendenz bzw. Neigung bzw. Inklination ΔI/C (= I/C dritter Bereich - I/C zweiter Bereich) ≥ 0,10). Dies stellt die Protonenleitfähigkeit der Katalysatorschicht sicher. Wenn ΔI/C zu groß bzw. hoch ist, wird das Ionomer auf der GDL-Seite unzureichend, und die Protonenleitfähigkeit wird verschlechtert. Dementsprechend kann das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite 0,15 oder mehr und 0,35 oder weniger höher als das I/C des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil sein (das heißt, 0,35 ≥ ΔI/C ≥ 0,15).
Das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite kann mehr als 0,90 und 1,30 oder weniger sein.
Das I/C des zweiten Bereichs im mittleren Teil kann 0,10 oder mehr geringer als das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite sein, und es kann mehr als 0,90 und 1,00 oder weniger sein.
Das I/C des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite ist nicht besonders beschränkt, solange es kleiner als das I/C des zweiten Bereichs im mittleren Teil ist, und es kann 0,50 oder mehr und weniger als 1,00 sein.
Die Katalysatorschicht enthält den Katalysator-tragenden Kohlenstoff und das Ionomer.
Bei der durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhaltene Partikelgrößenverteilung weist der Katalysator-tragende Kohlenstoff mindestens zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr auf. Solange der Katalysator-tragende Kohlenstoff einen Aggregat-Partikelgrößen-Peak bei weniger als 1 µm und einen Aggregat-Partikelgrößen-Peak bei 1 µm oder mehr aufweist, kann er zwei oder mehrere Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm aufweisen, und er kann zwei oder mehrere Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei 1 µm oder mehr aufweisen.
Als der Katalysator kann zum Beispiel Platin (Pt) oder eine Legierung von Pt und einem anderen Metall (wie eine Pt-Legierung, welche mit Kobalt, Nickel oder ähnlichem gemischt ist) verwendet werden.
Das Ionomer kann ein Ionomer mit Protonenleitfähigkeit sein, und es kann ein Fluor-basiertes Harz oder ähnliches sein. Als das Fluor-basierte Harz kann zum Beispiel ein Perfluorsulfonsäure-basiertes Harz, wie Nafion (eingetragene Handelsmarke), verwendet werden. Das Ionomer kann zum Beispiel ein Perfluorsulfonsäure-basiertes Harz, wie Nafion (eingetragene Handelsmarke), sein.
Der Kohlenstoff, welcher als der Träger dient (d.h. Kohlenstoff-Träger), kann zum Beispiel ein kohlenstoffhaltiges Material, welches allgemein handelsüblich erhältlich ist, sein. Als das kohlenstoffhaltige Material umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, Ketjen Black (Produktname, hergestellt von Ketjen Black International Company), Vulcan (Produktname, hergestellt von Cabot), Norit (Produktname, hergestellt von Norit), Black Pearls (Produktname, hergestellt von Cabot), Acetylene Black (Produktname, hergestellt von Chevron), Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanohörner („carbon nanohorns“), Kohlenstoff-Nanowände („carbon nanowalls“) und Kohlenstoff-Nanofasern und Kohlenstofflegierungen.
Der Kohlenstoff-Träger kann eine Partikelform aufweisen. Zum Beispiel kann der Kohlenstoff-Träger die Form von Partikeln (Kohlenstoff-Träger-Partikel) aufweisen.
Der mittlere Partikeldurchmesser der Kohlenstoff-Träger-Partikel ist nicht besonders beschränkt. Er kann von 10 nm bis 10 µm sein.
In den offenbarten Ausführungsformen wird der mittlere Partikeldurchmesser der Partikel durch ein herkömmliches Verfahren berechnet. Ein Beispiel des Verfahrens zur Berechnung des mittleren bzw. durchschnittlichen Partikeldurchmessers der Partikel ist wie folgt. Zuerst wird für einen Partikel, welcher in einem Bild gezeigt ist, welches bei einer geeigneten Vergrößerung (z.B. 50.000x bis 1.000.000x) mit einem Transmissionselektronenmikroskop („transmission electron microscope“, hier nachstehend als TEM bezeichnet) oder Rasterelektronenmikroskop („scanning electron microscope“, hier nachstehend als SEM bezeichnet) aufgenommen wurde, der Durchmesser berechnet, wenn der Partikel als sphärisch betrachtet wird. Eine derartige Berechnung des Partikeldurchmessers mittels TEM- oder SEM-Beobachtung wird auf 200 bis 300 Partikeln desselben Typs durchgeführt, und der Mittelwert der Partikel wird als der mittlere Partikeldurchmesser bestimmt.
2. Herstellungsverfahren der Katalysatorschicht
Das Katalysatorschicht-Herstellungsverfahren der offenbarten Ausführungsformen ist ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle,
wobei die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht, und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst;
wobei das Verfahren umfasst:

Herstellen einer Katalysatorschicht-Mischung, enthaltend einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer (ein Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung),
Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen der Katalysatorschicht-Mischung und eines Lösungsmittels (ein Katalysatortinte-Herstellungsschritt),
Auftragen der Katalysatortinte auf ein Transfer-Blatt (ein Katalysatortinte-Auftragungsschritt), und
Trocknen der Katalysatortinte in einer Trocknungszeit von weniger als einer Minute und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels, um eine Katalysatorschicht zu bilden (ein Trocknungsschritt); und

Das Katalysatorschicht-Herstellungsverfahren der offenbarten Ausführungsformen umfasst (1) den Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung, (2) den Katalysatortinte-Herstellungsschritt, (3) den Katalysatortinte-Auftragungsschritt und (4) den Trocknungsschritt.
(1) Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung
Dies ist ein Schritt des Herstellens einer Katalysatorschicht-Mischung, welche einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer enthält.
Die Katalysatorschicht-Mischung enthält den Katalysator-tragenden Kohlenstoff und das Ionomer.
Der Katalysator-tragende Kohlenstoff und das Ionomer können dieselben wie jene sein, welche vorstehend in „1. Katalysatorschicht“ beispielhaft aufgeführt wurden.
(2) Herstellungsschritt der Katalysatortinte
Dies ist ein Schritt des Herstellens einer Katalysatortinte durch Mischen der Katalysatorschicht-Mischung und eines Lösungsmittels.
Das Lösungsmittel ist nicht besonders beschränkt, und es kann, abhängig von dem verwendeten Ionomer und so weiter, geeignet ausgewählt werden. Als das Lösungsmittel kann zum Beispiel Wasser, Methanol, Ethanol, Propanol, Propylenglykol, N,N-Dimethylformamid, N,N-Diethylformamid, N,N-Dimethylacetamid, oder N,N-Diethylacetamid verwendet werden. Als das Lösungsmittel kann eine Mischung von zwei oder mehreren Arten von diesen verwendet werden.
Das Verfahren des Mischens ist nicht besonders beschränkt. Als das Verfahren umfassen Beispiele, aber sind darauf beschränkt, ein Homogenisator, eine Kugelmühle, ein Schermischer und eine Walzenmühle. Hinsichtlich des Gesichtspunkts der Erhöhung der Dispergierbarkeit kann eine Kugelmühle verwendet werden.
Die Kugelmühle ist nicht besonders beschränkt. Als die Kugelmühle umfassen Beispiele, aber sind nicht darauf beschränkt, eine Planetenkugelmühle.
Das Material für die Kugeln der Kugelmühle ist nicht besonders beschränkt. Als das Material umfassen Beispiele, aber sind nicht darauf beschränkt, Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid.
Der Durchmesser der Kugeln ist nicht besonders beschränkt. Er kann von 0,5 mm bis 2 mm sein.
Die Platten-Rotationsfrequenz bzw. Platten-Drehzahl der Kugelmühle ist nicht besonders beschränkt. Sie kann von 300 UpM bis 500 UpM sein.
Die Rotationszeit der Kugelmühle ist nicht besonders beschränkt. Sie kann 3 Stunden oder mehr sein, oder kann 6 Stunden oder mehr sein, und kann 100 Stunden oder weniger sein.
In den offenbarten Ausführungsformen ist die Kugelmühle eine allgemein bekannte Vorrichtung, in welcher Kugeln und Material in einen Behälter bzw. Container eingestellt und rotiert werden, und es ist ein Konzept, welches eine Perlenmühle umfasst.
Die Menge des Ionomers in der Katalysatortinte kann, abhängig von der Menge des Katalysator-tragenden Kohlenstoffs, geeignet eingestellt werden. Der Katalysator-tragende Kohlenstoff und das Ionomer können in einem Mischungsverhältnis von 1:0,5 und 1:1,3 gemischt werden.
Der Feststoffgehalt der Katalysatortinte ist nicht besonders beschränkt, und er kann 5 Massen% oder mehr sein, kann 7 Massen% oder mehr sein, kann 15 Massen% oder weniger sein, und kann 11 Massen% oder weniger sein, und kann 9 Massen% oder weniger sein. Durch Einstellen des Feststoffgehalts der Katalysatortinte innerhalb des vorstehenden Bereichs, ist es leicht, die Neigung bzw. Inklination ΔI/C innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu steuern. Außerdem wird durch Einstellen des Feststoffgehalts der Katalysatortinte innerhalb des vorstehenden Bereichs ein Verschütten bzw. Übergehen des Feststoffgehalts im Trocknungsschritt verhindert.
(3) Schritt der Auftragung der Katalysatortinte
Dies ist ein Schritt des Auftragens der Katalysatortinte auf ein Transferblatt bzw. Übertragungsblatt.
Das Verfahren zur Auftragung der Katalysatortinte ist nicht besonders beschränkt, und ein allgemein bekanntes Verfahren kann angewandt werden. Als das Verfahren zur Auftragung der Katalysatortinte umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt ein Streichmesser-Verfahren bzw. Rakelmesser-Verfahren, ein Metallmasken-Druckverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren, ein Tauch-Beschichtungsverfahren, ein Sprüh-Beschichtungsverfahren, ein Rollen-/Walzen-Beschichtungsverfahren, ein Gravur-Beschichtungsverfahren, und ein Filmdruck-/Siebdruckverfahren.
Als das Transferblatt kann eines, welches eine selbsttragende Eigenschaft aufweist, geeignet ausgewählt und verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Metallfolie, wie Cu und Al, oder ein Harz, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), verwendet werden.
(4) Schritt der Trocknung
Dies ist ein Schritt des Trocknens der Katalysatortinte in einer Trocknungszeit von weniger als einer Minute und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels, um eine Katalysatorschicht zu bilden.
In dem Trocknungsschritt kann die Katalysatortinte-Trocknungszeit drei Sekunden oder mehr und weniger als eine Minute sein. Durch Hochgeschwindigkeitstrocknen in weniger als einer Minute pro Katalysatorschicht ist der Feststoffgehalt effizient auf der mit der Katalysatortinte beschichteten Oberfläche konzentriert. Als ein Ergebnis der Hochgeschwindigkeitstrocknung tritt Segregation bzw. Trennung des Ionomers und der (aggregierten) feinen Kohlenstoffpartikel leicht auf der Tinte-beschichteten Oberflächenseite durch Kapillarkraft zwischen den (aggregierten) Kohlenstoffpartikeln auf.
In dem Trocknungsschritt kann die Katalysatortinte bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s oder mehr und 30 m/s oder weniger getrocknet werden.
Ebenfalls im Trocknungsschritt kann die Katalysatortinte bei einer Temperatur von 100 °C oder mehr und 130 °C oder weniger getrocknet werden.
Die auf dem Transferblatt erhaltene Katalysatorschicht wird auf die Elektrolytmembran übertragen und angeordnet, und die Gasdiffusionsschicht wird auf die gegenüberliegende Seite der Elektrolytmembran angeordnet, wodurch die Katalysatorschicht hergestellt wird, in welcher der Hohlraumanteil der Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht-Seite groß ist und die Konzentration des Ionomers geneigt ist, sodass die Ionomer-Konzentration auf der Elektrolytmembran-Seite hoch ist.
3. Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen umfasst die Katalysatorschicht der offenbarten Ausführungsformen. Die Brennstoffzelle umfasst mindestens die Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht, und die Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge. Die Katalysatorschicht ist eine Kathoden-Katalysatorschicht, oder eine Anoden-Katalysatorschicht. Die Gasdiffusionsschicht ist eine Kathodenseite-Gasdiffusionsschicht, wenn die Katalysatorschicht eine Kathoden-Katalysatorschicht ist, und sie ist eine Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht, wenn die Katalysatorschicht eine Anoden-Katalysatorschicht ist.
Die Brennstoffzelle umfasst allgemein eine Brennstoffzellen-Einheit.
Die Brennstoffzelle kann eine Brennstoffzelle, bestehend auf einer Brennstoffzellen-Einheit sein, oder sie kann ein Brennstoffzellenstapel, bestehend aus gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten sein.
Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel können 2 bis mehrere Hundert Brennstoffzellen-Einheiten gestapelt werden; es können 2 bis 200 Brennstoffzellen-Einheiten gestapelt werden; oder es können 2 bis 300 Brennstoffzellen-Einheiten gestapelt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann umfassen eine Endplatte an beiden Stapelrichtungsenden einer jeden Brennstoffzellen-Einheit.
Jede Brennstoffzellen-Einheit kann eine Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit umfassen. Jede Brennstoffzellen-Einheit kann erste und zweite Separatoren umfassen, welche die Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit sandwichartig umgeben.
Die Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit umfasst eine erste Gasdiffusionsschicht, eine erste Katalysatorschicht, die Elektrolytmembran, eine zweite Katalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
Insbesondere umfasst die Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit die Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht, die Anoden-Katalysatorschicht, die Elektrolytmembran, die Kathoden-Katalysatorschicht, und die Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
Eine von der ersten und der zweiten Katalysatorschicht ist die Kathoden-Katalysatorschicht, und die andere ist die Anoden-Katalysatorschicht. Die Katalysatorschicht, welche in der Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen enthalten ist, kann die Kathoden-Katalysatorschicht oder die Anoden-Katalysatorschicht sein. Sowohl die Kathoden-Katalysatorschicht als auch die Anoden-Katalysatorschicht können Katalysatorschichten sein, welche in der Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen enthalten sind. Die Katalysatorschicht, welche in der Brennstoffzelle der offenbarten Ausführungsformen enthalten ist, kann zumindest die Kathoden-Katalysatorschicht, hinsichtlich des Gesichtspunkts der weiteren Erhöhung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle, sein.
Die Kathode (Oxidanselektrode) umfasst die Kathoden-Katalysatorschicht und die Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht.
Die Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die Anoden-Katalysatorschicht und die Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht.
Die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht werden kollektiv als „Katalysatorschicht“ bezeichnet. Die Kathoden-Katalysatorschicht und die Anoden-Katalysatorschicht werden kollektiv als „Katalysatorschicht“ bezeichnet.
Eine von der ersten Gasdiffusionsschicht und der zweiten Gasdiffusionsschicht ist die Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht, und die andere ist die Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht.
Die erste Gasdiffusionsschicht ist die Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht, wenn die erste Katalysatorschicht die Kathoden-Katalysatorschicht ist. Die erste Gasdiffusionsschicht ist die Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht, wenn die erste Katalysatorschicht die Anoden-Katalysatorschicht ist.
Die zweite Gasdiffusionsschicht ist die Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht, wenn die zweite Katalysatorschicht die Kathoden-Katalysatorschicht ist. Die zweite Gasdiffusionsschicht ist die Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht, wenn die zweite Katalysatorschicht die Anoden-Katalysatorschicht ist.
Die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite Gasdiffusionsschicht werden kollektiv als „Gasdiffusionsschicht“ oder „Diffusionsschicht“ bezeichnet. Die Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht und die Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht werden kollektiv als „Gasdiffusionsschicht“ oder „Diffusionsschicht“ bezeichnet.
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges elektrisch-leitfähiges Element oder ähnliches sein.
Als das elektrisch-leitfähige Element umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, ein poröses Kohlenstoff-Material, wie Kohlenstofftuch und Kohlepapier, und ein poröses Metall-Material, wie Metallnetz und Metallschaum.
Die Brennstoffzelle kann eine mikroporöse Schicht („microporous layer“, MPL) zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht umfassen. Die mikroporöse Schicht kann eine Mischung aus einem wasserabweisenden Harz, wie PTFE, und ein elektrisch-leitfähiges Material, wie Ruß, enthalten.
Die Elektrolytmembran kann eine Feststoffpolymer-Elektrolytmembran sein. Als die Feststoffpolymer-Elektrolytmembran umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluor-Elektrolytmembran, wie eine dünne, Feuchtigkeit-enthaltende Perfluorsulfonsäuremembran. Die Elektrolytmembran kann zum Beispiel eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont Co., Ltd.) sein.
Einer von dem ersten Separator und dem zweiten Separator ist der Kathodenseiten-Separator, und der andere ist der Anodenseiten-Separator.
Der erste Separator ist der Kathodenseiten-Separator, wenn die erste Katalysatorschicht die Kathoden-Katalysatorschicht ist. Der erste Separator ist der Anodenseiten-Separator, wenn die erste Katalysatorschicht die Anoden-Katalysatorschicht ist.
Der zweite Separator ist der Kathodenseiten-Separator, wenn die zweite Katalysatorschicht die Kathoden-Katalysatorschicht ist. Der zweite Separator ist der Anodenseiten-Separator, wenn die zweite Katalysatorschicht die Anoden-Katalysatorschicht ist.
Der erste Separator und der zweite Separator werden kollektiv als „Separator“ bezeichnet. Der Anodenseiten-Separator und der Kathodenseiten-Separator werden kollektiv als „Separator“ bezeichnet.
Die Membranelektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit ist zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator sandwichartig angeordnet.
Der Separator kann Zuführ- und Auslasslöcher umfassen, welche ermöglichen, dass das Reaktionsgas und das Kühlmittel bzw. Kältemittel in die Stapelrichtung der Brennstoffzellen-Einheiten strömen. Als das Kühlmittel kann zum Beispiel eine gemischte Lösung von Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um Gefrieren bzw. Einfrieren bei geringen Temperaturen zu verhindern.
Als das Zuführloch umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, ein Brennstoffgas-Zuführloch, ein Oxidansgas-Zuführloch, und ein Kühlmittel-Zuführloch.
Als das Auslassloch umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, ein Brennstoffgas-Auslassloch, ein Oxidansgas-Auslassloch, und ein Kühlmittel-Auslassloch.
Der Separator kann ein oder mehrere Brenngas-Zuführlöcher, ein oder mehrere Oxidansgas-Zuführlöcher, ein oder mehrere Kühlmittel-Zuführlöcher, ein oder mehrere Brenngas-Auslasslöcher, ein oder mehrere Oxidansgas-Auslasslöcher, und ein oder mehrere Kühlmittel-Auslasslöcher umfassen.
Der Separator kann einen Reaktandgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche, welche in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht ist, umfassen. Ebenso kann der Separator einen Kühlmittel-Strömungspfad umfassen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Oberfläche, welche mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt ist, beizubehalten.
Wenn der Separator der Anodenseiten-Separator ist, kann er ein oder mehrere Brennstoffgas-Zuführlöcher, ein oder mehrere Oxidansgas-Zuführlöcher, ein oder mehrere Kühlmittel-Zuführlöcher, ein oder mehrere Brennstoffgas-Ablasslöcher, ein oder mehrere Oxidansgas-Ablasslöcher, und ein oder mehrere Kühlmittel-Ablasslöcher umfassen. Der Anodenseiten-Separator kann einen Brennstoffgas-Strömungspfad umfassen, um zu ermöglichen, dass das Brennstoffgas von dem Brennstoffgas-Zuführloch zum Brennstoffgas-Ablassloch auf der Oberfläche, welche in Kontakt mit der Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht ist, strömen kann. Der Anodenseiten-Separator kann einen Kühlmittel-Strömungspfad umfassen, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel von dem Kühlmittel-Zuführloch zum Kühlmittel-Ablassloch auf der gegenüberliegenden Oberfläche zur Oberfläche, welche in Kontakt mit der Anodenseiten-Gasdiffusionsschicht ist, strömen kann.
Wenn der Separator der Kathodenseiten-Separator ist, kann er ein oder mehrere Brennstoffgas-Zuführlöcher, ein oder mehrere Oxidansgas-Zuführlöcher, ein oder mehrere Kühlmittel-Zuführlöcher, ein oder mehrere Brennstoffgas-Ablasslöcher, ein oder mehrere Oxidansgas-Ablasslöcher, und ein oder mehrere Kühlmittel-Ablasslöcher umfassen. Der Kathodenseiten-Separator kann einen Oxidansgas-Strömungspfad umfassen, um zu ermöglichen, dass das Oxidansgas von dem Oxidansgas-Zuführloch zum Oxidansgas-Ablassloch auf der Oberfläche, welche in Kontakt mit der Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht ist, strömen kann. Der Kathodenseiten-Separator kann einen Kühlmittel-Strömungspfad umfassen, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel von dem Kühlmittel-Zuführloch zum Kühlmittel-Ablassloch auf der gegenüberliegenden Oberfläche zur Oberfläche, welche in Kontakt mit der Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht ist, strömen kann.
Der Separator kann ein gasundurchlässiges, elektrisch-leitfähiges Element oder ähnliches sein. Als das elektrisch-leitfähige Element umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, ein gasundurchlässiger, dichter Kohlenstoff, welche durch Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte (wie ein Eisen-Platte, eine Aluminium-Platte und eine Edelstahl-Platte), welche durch Formpressen bzw. Pressformen erhalten wird. Der Separator kann als ein Abnehmer bzw. Sammler funktionieren.
Der Brennstoffzellenstapel kann einen Krümmer, wie einen Einlass-Krümmer, welcher zwischen den Zuführlöchern verbindet, und einem Auslass-Krümmer, welcher zwischen den Auslasslöchern verbindet, umfassen.
Als den Einlass-Krümmer umfassen Beispiele, sind aber nicht drauf beschränkt, einen Anoden-Einlass-Krümmer, einen Kathoden-Einlass-Krümmer, und einen Kühlmittel-Einlass-Krümmer.
Als den Auslass-Krümmer umfassen Beispiele, sind aber nicht drauf beschränkt, einen Anoden-Auslass-Krümmer, einen Kathoden-Auslass-Krümmer, und einen Kühlmittel-Auslass-Krümmer.
In den offenbarten Ausführungsformen werden das Brennstoffgas und das Oxidansgas kollektiv als „Reaktionsgas“ bezeichnet. Das Reaktionsgas, welches der Anode zugeführt wird, ist das Brennstoffgas, und das Reaktionsgas, welches der Kathode zugeführt wird, ist das Oxidansgas. Das Brennstoffgas ist ein Gas, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, und es kann Wasserstoff sein. Das Oxidansgas kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft, oder ähnliches sein.
[BEISPIELE]
Beispiel 1
[Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung]
Eine Katalysatorschicht-Mischung, welche ein Ionomer und einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff (in der Form von aggregierten Partikeln) enthält, wurde hergestellt.
3 ist ein Graph, welcher die Partikelgrößenverteilung des in Beispiel 1 hergestellten Katalysator-tragenden Kohlenstoffs (in der Form von aggregierten Partikeln) zeigt, welche durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhalten wurde.
Wie in 3 gezeigt wurde als der Katalysator-tragende Kohlenstoff ein Katalysator-tragender Kohlenstoff verwendet, welcher zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr aufweist.
Als das Ionomer wurde eine Perfluorkohlenstoffsulfonsäure-Harz-Dispersion (Produktename: Nafion, hergestellt von: DuPont Co., Ltd.) verwendet.
[Katalysatortinte-Herstellungsschritt]
Die Katalysatorschicht-Mischung wurde zu einem Lösungsmittel, welches Wasser und Alkohol enthält, zugegeben, und sie wurden zusammen durch Rühren gemischt, wodurch eine Katalysatortinte hergestellt wurde. Der Feststoffgehalt der Katalysatortinte war 9 Massen%.
[Katalysatortinte-Auftragungsschritt]
Es wurde ein PTFE-Sitz zum Transfer bzw. zur Übertragung hergestellt. Die Katalysatortinte wurde auf das PTFE-Blatt aufgetragen.
[Trocknungsschritt]
Das Lösungsmittel wurde mit hoher Geschwindigkeit durch Blasen von warmer Luft bei einer Temperatur von 100 °C auf die aufgetragene Katalysatortinte mit einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s für 0,3 Minuten (18 Sekunden) getrocknet, wodurch die Katalysatorschicht erhalten wurde.
Beispiel 2
Eine Katalysatorschicht wurde auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 erhalten, außer, dass bei dem Trocknungsschritt das Lösungsmittel mit hoher Geschwindigkeit durch Blasen von warmer Luft bei einer Temperatur von 130 °C auf die aufgetragene Katalysatortinte mit einer Windgeschwindigkeit von 20 m/s für 0,2 Minuten (12 Sekunden) getrocknet wurde.
Beispiel 3
Eine Katalysatorschicht wurde auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 erhalten, außer, dass bei dem Trocknungsschritt das Lösungsmittel mit hoher Geschwindigkeit durch Blasen von warmer Luft bei einer Temperatur von 130 °C auf die aufgetragene Katalysatortinte mit einer Windgeschwindigkeit von 30 m/s für 0,05 Minuten (3 Sekunden) getrocknet wurde.
Vergleichsbeispiel 1
4 ist ein Graph, welcher die Partikelgrößenverteilung des in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Katalysator-tragenden Kohlenstoffs (in der Form von aggregierten Partikeln) zeigt, welche durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhalten wurde.
Wie in 4 gezeigt, wurde als der Katalysator-tragende Kohlenstoff ein Katalysator-tragender Kohlenstoff, welcher einen Aggregat-Partikelgrößen-Peak aufweist, im Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung verwendet.
Beim Trocknungsschritt wurde das Lösungsmittel durch Blasen von warmer Luft bei einer Temperatur von 100 °C auf die aufgetragene Katalysatortinte bei einer Windgeschwindigkeit von 0,1 m/s für zwei Minuten getrocknet. Eine Katalysatorschicht wurde auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 erhalten, außer dem genannten.
Vergleichsbeispiel 2
Beim Trocknungsschritt wurde eine Katalysatorschicht auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 erhalten, außer, dass das Lösungsmittel mit hoher Geschwindigkeit durch Blasen von warmer Luft bei einer Temperatur von 130 °C auf die aufgetragene Katalysatortinte mit einer Windgeschwindigkeit von 0.1 m/s für eine Minute getrocknet wurde.
Vergleichsbeispiel 3
Beim Trocknungsschritt wurde eine Katalysatorschicht auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 erhalten, außer, dass das Lösungsmittel mit hoher Geschwindigkeit durch Blasen von warmer Luft bei einer Temperatur von 130 °C auf die aufgetragene Katalysatortinte mit einer Windgeschwindigkeit von 20 m/s für 0,2 Minuten (12 Sekunden) getrocknet wurde.
Für eine jede von den Katalysatorschichten, welche in den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 erhalten wurden, wurden der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite und der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite, wenn die Dicke einer jeden Katalysatorschicht in drei gleiche Teile eingeteilt wurde, durch TEM-Bild-Beobachtung eines Querschnitts der Katalysatorschicht gemessen, und die Hohlraumanteil-Differenz ΔV (= V_G - V_M) zwischen diesen wurde berechnet.
Für eine jede von den Katalysatorschichten, welche in den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 erhalten wurden, wurden das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite und das I/C des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil, wenn die Dicke einer jeden Katalysatorschicht in drei gleiche Teile eingeteilt wurde, durch Beobachten einer Fluoreszenz-Mikrofotographie eines Querschnitts der Katalysatorschicht gemessen, und die Inklination ΔI/C (= I/C dritter Bereich - I/C zweiter Bereich) wurde berechnet.
Für eine jede von den Katalysatorschichten, welche in den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 erhalten wurden, wurde der Protonenwiderstand und der Gasdiffusionswiderstand gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
5 zeigt ein TEM-Bild eines Querschnitts des ersten Bereichs der Katalysatorschicht von Beispiel 1, welcher ein Bereich auf der Gasdiffusionsschicht-Seite der Katalysatorschicht ist, ein TEM-Bild eines Querschnitts des zweiten Bereichs der Katalysatorschicht von Beispiel 1, welcher ein Bereich in dem mittleren Teil der Katalysatorschicht ist, und ein TEM-Bild eines Querschnitts des dritten Bereichs der Katalysatorschicht von Beispiel 1, welcher ein Bereich auf der Elektrolytmembran-Seite der Katalysatorschicht ist. Wie in 5 und Tabelle 1 gezeigt, ist in der Katalysatorschicht des Beispiels 1 der Hohlraumanteil des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite höher als der Hohlraumanteil des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite.
6 ist eine Fluoreszenz-Mikrofotographie eines Querschnitts der Katalysatorschicht von Beispiel 1.
7 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz-Intensität und der Dicke der Katalysatorschicht von Beispiel 1 zeigt. Die Fluoreszenz-Intensität ist proportional zur Ionomer-Menge. Wie in 6, 7, und Tabelle 1 gezeigt, ist in der Katalysatorschicht des Beispiels 1 das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite höher als das I/C des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil.
8 ist eine Fluoreszenz-Mikrofotographie eines Querschnitts der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 1.
9 ist ein Graph, welcher den Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz-Intensität und der Dicke der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 1 zeigt. Wie in 8, 9, und Tabelle 1 gezeigt, ist bei der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 1 das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite dasselbe wie das I/C des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist bei den Katalysatorschichten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 der Hohlraumanteil des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite derselbe wie der Hohlraumanteil des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite, und das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite ist dasselbe wie das I/C des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist bei den Katalysatorschichten von den Beispielen 1 bis 3 der Hohlraumanteil des ersten Bereichs auf der Gasdiffusionsschicht-Seite höher als der Hohlraumanteil des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite, und das I/C des dritten Bereichs auf der Elektrolytmembran-Seite ist ein höheres I/C als das I/C des zweiten Bereichs in dem mittleren Teil.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, sind die Protonenwiderstände der Katalysatorschichten der Beispiele 1 bis 3 geringer als die Protonenwiderstände der Katalysatorschichten der Vergleichsbeispiele 1 und 2, und die Gasdiffusionswiderstände der Katalysatorschichten der Beispiele 1 bis 3 sind ähnlich zu den Gasdiffusionswiderständen der Katalysatorschichten der Vergleichsbeispiele 1 und 2.
Aus den Ergebnissen des Vergleichsbeispiels 2 ist ersichtlich, dass es erforderlich ist, dass die Trocknungszeit weniger als eine Minute ist, um den Protonenwiderstand zu senken.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist der Gasdiffusionswiderstand des Vergleichsbeispiels 3 höher als die Gasdiffusionswiderstände der Katalysatorschichten der Vergleichsbeispiele 1 und 2, obwohl der Protonenwiderstand des Vergleichsbeispiels 3 geringer als die Protonenwiderstände der Katalysatorschichten der Vergleichsbeispiele 1 und 2 ist.
Aus den Ergebnissen des Vergleichsbeispiels 3 ist es ersichtlich, dass der Katalysator-tragende Kohlenstoff, welcher lediglich einen Aggregat-Partikelgrößen-Peak aufweist, nicht wirksam bei der Senkung des Gasdiffusionswiderstands ist, selbst wenn Hochgeschwindigkeitstrocknen in einer Trocknungszeit von weniger als eine Minute durchgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007273144 A [0012]
JP 2007265734 A [0012]
JP 2002358980 A [0012]
JP 2003173785 A [0012]

Claims

Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst; wobei die Katalysatorschicht einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer umfasst; wobei der Katalysator-tragende Kohlenstoff bei einer durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhaltenen Partikelgrößenverteilung mindestens zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr aufweist; wobei die Katalysatorschicht, wenn eine Dicke der Katalysatorschicht in drei gleiche Teile eingeteilt wird, einen ersten Bereich auf einer Gasdiffusionsschicht-Seite, einen zweiten Bereich in einem mittleren Teil, und einen dritten Bereich auf einer Elektrolytmembran-Seite aufweist; wobei ein Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs 5 % oder mehr höher als ein Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs ist; und wobei ein Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des dritten Bereichs 0,10 oder mehr höher als ein Massenanteil (I/C) des Ionomers zum Katalysator-tragenden Kohlenstoff des zweiten Bereichs ist.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs mehr als 40 % und 44 % oder weniger ist; wobei der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs 34 % oder mehr und weniger als 40 % ist; und wobei der Hohlraumanteil V_G des ersten Bereichs 8 % oder mehr und 10 % oder weniger höher als der Hohlraumanteil V_M des dritten Bereichs ist.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1 oder 2, wobei das I/C des dritten Bereichs mehr als 0,90 und 1,30 oder weniger ist; wobei das I/C des zweiten Bereichs mehr als 0,90 und 1,00 oder weniger ist; und wobei das I/C des dritten Bereichs 0,15 oder mehr und 0,35 oder weniger höher als das I/C des zweiten Bereichs ist.
Brennstoffzelle, umfassend die Katalysatorschicht, welche nach einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht, und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge umfasst; wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Katalysatorschicht-Mischung, umfassend einen Katalysator-tragenden Kohlenstoff und ein Ionomer (ein Herstellungsschritt der Katalysatorschicht-Mischung), Herstellen einer Katalysatortinte durch Mischen der Katalysatorschicht-Mischung und eines Lösungsmittels (ein Herstellungsschritt der Katalysatortinte), Auftragen der Katalysatortinte auf ein Transferblatt (ein Auftragungsschritt der Katalysatortinte), und Trocknen der Katalysatortinte in einer Trocknungszeit von weniger als einer Minute und anschließendes Entfernen des Lösungsmittels, um eine Katalysatorschicht zu bilden (ein Trocknungsschritt); und wobei, der Katalysator-tragende Kohlenstoff bei einer durch das Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren erhaltene Partikelgrößenverteilung mindestens zwei Aggregat-Partikelgrößen-Peaks bei weniger als 1 µm und bei 1 µm oder mehr aufweist.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatorschicht nach Anspruch 5, wobei ein Feststoffgehalt der Katalysatortinte 5 Massen% oder mehr und 15 Massen% oder weniger ist.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatorschicht nach Anspruch 5 oder 6, wobei beim Trocknen die Katalysatortinte-Trocknungszeit drei Sekunden oder mehr und weniger als eine Minute ist.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatorschicht nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei beim Trocknen die Katalysatortinte bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s oder mehr und 30 m/s oder weniger getrocknet wird.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatortinte nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei beim Trocknen die Katalysatortinte bei einer Temperatur von 100 °C oder mehr und 130 °C oder weniger getrocknet wird.