DE102022119224A1

DE102022119224A1 - Verfahren zur herstellung von katalysatortinte für eine brennstoffzellen-elektrode

Info

Publication number: DE102022119224A1
Application number: DE102022119224.5A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Nogi; Takanori Kajihara; Fumito Tomimasu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2023-03-02
Also published as: JP2023034773A; US20230072339A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellenelektroden bereitgestellt, welches ermöglicht, die Läuterung eines Katalysators und die Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte gleichzeitig durchzuführen. Das Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellenelektroden, welche einen Katalysator, ein Lösungsmittel, und ein Ionomer enthält, umfasst Rühren und Mischen des Katalysators, des Lösungsmittels, und des Ionomers mittels eines Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers. Das Ionomer enthält ein gelartiges Ionomer. Der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer umfasst einen zylindrischen Rührbehälter, einen Drehschieber, und eine Welle. Der zylindrische Rührbehälter weist auf einer Innenumfangsfläche Ungleichmäßigkeiten auf. Der Drehschieber ist konzentrisch zum Rührbehälter und weist einen äußeren Durchmesser auf, welcher ein bisschen kleiner als ein innerer Durchmesser des Rührbehälters ist. Die Welle umfasst den Drehschieber auf einem Endabschnitt und ist bei hoher Geschwindigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung drehbar.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, welche eine Brennstoffzelle ist, welche Elektrizität unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidansgas bzw. Oxidationsgas erzeugt, hat als eine Energiequelle Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Für die Feststoffpolymer-Brennstoffzelle wird allgemein eine Membranelektrodeneinheit („Brennstoffelektrode-Feststoffpolymerelektrolytmembran-Luftelektrode“) (auch als eine MEA („membrane electrode assembly“) bezeichnet) verwendet, welche durch Montieren von aus Katalysatorschichten gebildeten Elektroden (eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode) auf jeweils beiden Oberflächen eines Feststoffpolymerelektrolyten als eine Elektrolytmembran gebildet wird.
Die Elektroden werden jeweils aus der Katalysatorschicht gebildet, und die Katalysatorschicht ist eine Schicht, welche eine Elektrodenreaktion mittels eines Elektrodenkatalysators, welcher in der Katalysatorschicht enthalten ist, veranlasst bzw. bewirkt. Da eine 3-Phasen-Grenzfläche, in welcher drei Phasen eines Elektrolyten, eines Katalysators, und eines Reaktionsgases koexistieren, für den Fortschritt der Elektrodenreaktion erforderlich ist, wird die Katalysatorschicht allgemein aus einer Schicht, welche einen Katalysator (hier umfasst zum Beispiel der Katalysator die Bedeutung von nicht nur lediglich der Katalysatorwirkung, sondern auch einen auf einem Träger geträgerten Metallkatalysator (auch als ein „geträgerter Metallkatalysator“ oder ähnliches in dieser Beschreibung bezeichnet)) und einen Elektrolyten umfasst, gebildet.
In der Membranelektrodeneinheit ist jede Elektrode durch Auftragen einer Katalysatortinte über die Oberfläche der Elektrolytmembran und Trocknen derselben ausgebildet. Die Katalysatortinte enthält einen Katalysator, einen Elektrolyten, welcher Proton (H⁺)-Leitfähigkeit aufweist, und ein dispergierendes Lösungsmittel (auch einfach als ein „Lösungsmittel“ oder ähnliches in dieser Beschreibung bezeichnet), welches den Katalysator und den Elektrolyten dispergiert.
Es wurden verschiedene Studien über Katalysatortinten durchgeführt. Zum Beispiel offenbart WO 2013/031060 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte, welche zur Bildung einer Katalysatorelektrode verwendet wird. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte: (a) Dispergieren von geträgerten Katalysatorpartikel als leitfähige Partikel mit einem darauf geträgerten Katalysator in einem Lösungsmittel, um eine Katalysator-Dispersion herzustellen; (b) Mischen eines Ionomers mit einem flüchtigen Lösungsmittel, um ein Gel-Material herzustellen; und (c) Rühren und Mischen der Katalysator-Dispersion mit dem Gelmaterial, um eine Katalysatortinte herzustellen.
JP 2013-158741 A offenbart eine Flüssigkeits- bzw. Fluid-Mischvorrichtung als eine Mischvorrichtung, um eine Katalysatorpaste herzustellen. Die Fluid-Mischvorrichtung mischt eine Mehrzahl an Flüssigkeiten, während bewirkt wird, dass eine Scherkraft auf die Mehrzahl an Flüssigkeiten wirkt. Die Fluid-Mischvorrichtung umfasst ein erstes Mischelement, ein zweites Mischelement, und einen variablen Mechanismus für die Form des Strömungsdurchlasses bzw. Strömungskanals. Das erste Mischelement weist eine ungleichmäßige bzw. unebene Oberfläche auf. Das zweite Mischelement weist eine ungleichmäßige bzw. unebene Oberfläche auf. Das zweite Mischelement ist derart angeordnet, dass die unebene Oberfläche im ersten Mischelement zueinander entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zur ungleichmäßigen Oberfläche im zweiten Mischelement ist. Der variable Mechanismus für die Form des Strömungsdurchlasses ändert eine Form eines Strömungsdurchlasses, welche zwischen dem ersten Mischelement und dem zweiten Mischelement ausgebildet ist und durch welchen die Mehrzahl an Flüssigkeiten fließt.
KURZFASSUNG
Bei der Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden (auch einfach als „Katalysatortinte“ oder ähnliches in dieser Beschreibung bezeichnet), ist das Läutern bzw. Klären („fining“) des Katalysators, welcher in der Katalysatortinte enthalten ist, erforderlich, um die Leistungsfähigkeit und Beständigkeit bzw. Langlebigkeit bzw. Strapazierfähigkeit einer Brennstoffzelle zu verbessern. Dies liegt daran, dass die Adsorption des Katalysators an einem Ionomer nach dem Läutern die Dreiphasen-Grenzflächen erhöht, was zu einer Katalysatorleitung beiträgt, wenn eine Katalysatorschicht gebildet wird.
Ferner ist auch das Einstellen der Viskosität einer Katalysatortinte für das diskontinuierliche Düsen-Beschichten erforderlich. Um die Viskosität der Katalysatortinte auf eine optimale Viskosität einzustellen, ist gewöhnlich eine Pulverisierung eines gelartigen Ionomers, welches in der Katalysatortinte enthalten ist, erforderlich, um die Viskosität der Katalysatortinte zu erhöhen.
Im Allgemeinen werden derartige (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte, das heißt, Pulverisieren des gelartigen Ionomers jeweils in verschiedenen Schritten durchgeführt.
Das getrennte Durchführen von (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte ist jedoch hinsichtlich der Aspekte der Zeit, komplizierten Schritten, und einer Kostenphase, und ähnlichem, nicht bevorzugt.
Dementsprechend bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden, welches ermöglicht, (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte gleichzeitig durchzuführen.
Der Grund, weshalb (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte getrennt durchgeführt werden, ist, dass sich der Katalysator und ein gelartiges Ionomer zum Beispiel in einer physikalischen Eigenschaft und einer Konfiguration der Aggregation unterscheiden, und somit die jeweiligen optimalen Pulverisierungsbedingungen unterschiedlich sind.
Zum Beispiel wird in WO 2013/031060 A1 , (i) Läuterung des Katalysators in dem Schritt (a) Herstellung der Katalysator-Dispersion durchgeführt, und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte wird in dem Schritt (c) Rühren und Mischen der Katalysator-Dispersion mit dem Gel-Material (das gelartige Ionomer) durchgeführt.
Eine Dispergiervorrichtung in dem Schritt (a), zum Beispiel eine Ultraschall-Dispergiervorrichtung läutert den harten Katalysator, aber kann das weiche gelartige Ionomer nicht pulverisieren (das heißt, die Viskosität der Katalysatortinte wird bzw. ist nicht erhöht). Währenddessen pulverisiert eine Rührvorrichtung, zum Beispiel ein Dünnfilm-Spin-Mischer, in dem Schritt (c) in WO 2013/031060 A1 das weiche gelartige Ionomer, kann aber den harten Katalysator nicht läutern.
Insbesondere ist der Grund, warum das weiche gelartige Ionomer in dem Schritt (a) nicht pulverisiert werden kann, dass der Schritt (a) der Schritt zum Pulverisieren eines Aggregates eines harten Katalysators, zum Beispiel einer Pigment-Substanz, wie ein Kohlenstoff, ist. Das heißt, die Ultraschall-Dispergiervorrichtung, die in dem Schritt (a) verwendet werden kann, zerkleinert ein Ziel bzw. Target mittels einer durch Kavitation erzeugten Aufprallwelle in ein Submikro-Niveau, welches für eine Brennstoffzelle erforderlich ist. Deshalb wird angenommen, dass die Ultraschall-Dispergiervorrichtung die gelartige, organische Substanz, welches das Ziel bzw. Target ist, welches möglicherweise erforderlich ist, durch Anwendung von Scherkraft gestreckt und geläutert zu werden, nicht wirksam strecken bzw. auseinanderziehen oder pulverisieren kann. Selbst wenn die gelartige organische Substanz in dem Schritt (a) pulverisiert werden kann, benötigt es beträchtliche Zeit.
Währenddessen ist der Grund, warum der harte Katalysator in dem Schritt (c) nicht geläutert werden kann, dass der Schritt (c) der Schritt ist, um eine weiche gelartige organische Substanz, zum Beispiel ein gelartiges Ionomer, zu pulverisieren. Das heißt, während der Dünnfilm-Spin-Mischer, welcher in dem Schritt (c) verwendet werden kann, die gelartige organische Substanz durch Scherkraft pulverisiert, weist die Vorrichtung einen Grenzwert eines mechanischen Abstands von mehreren Millimetern auf, und kann deshalb den harten Katalysator nicht in eine gewünschte Größe, nämlich im Submikro-Niveau, pulverisieren.
Ferner kann, wenn ein Material mit einer großen spezifischen Oberfläche und einer hohen aggregierenden Eigenschaft als das Material für den Katalysator, zum Beispiel als der Träger des Katalysators verwendet wird, die (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte bewirken, dass der Katalysator umgekehrt aggregiert wird, und dann kann die Partikelgröße des Katalysators erhöht werden. Das heißt, um den geläuterten Zustand des Katalysators beizubehalten, das heißt, um die wiederholte Aggregation bzw. Re-Aggregation des Katalysators zu unterdrücken, war die Adsorption eines Dispergiermittels an den Katalysator wichtig.
Es wurde zum Beispiel herausgefunden, dass, wenn der Katalysatorträger leicht aggregiert, zum Beispiel wenn der Träger, in welchem Kohlenstoff eine hohe Kristallinität aufweist (der Träger mit einer hohen Graphit-Eigenschaft), als der Katalysator verwendet wird, aggregiert der Katalysator in einem Fall, in welchem ein Massenanteil des Ionomers an dem Kohlenstoff im Katalysator (= die Masse an Ionomer/die Masse an Kohlenstoff im Katalysator) weniger als 0,3 ist, selbst wenn das Ionomer als das Dispergiermittel verwendet wird.
Dementsprechend wurde herausgefunden, dass das Material, welches für die Katalysatortinte verwendet wird, ebenfalls möglicherweise die jeweiligen Schritte (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte beeinträchtigt bzw. beeinflusst.
Deshalb haben die Erfinder als das Ergebnis von verschiedenen Untersuchungen, um die Probleme zu lösen, herausgefunden, dass es in einem Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden, welche einen Katalysator, ein Lösungsmittel, und ein Ionomer enthalten, wobei der Katalysator, das Lösungsmittel, und ein gelartiges Ionomer mittels eines spezifischen Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers gerührt und gemischt werden, möglich war, den Katalysator zusätzlich zum gelartigen Ionomer zu pulverisieren, und somit wurde die vorliegende Erfindung vervollständigt.
Das heißt, das Konzept der vorliegenden Erfindung ist wie folgt.

(1) Ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden, welche einen Katalysator, ein Lösungsmittel, und ein Ionomer enthält. Das Verfahren umfasst Rühren und Mischen des Katalysators, des Lösungsmittels, und des Ionomers mittels eines Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers. Das Ionomer enthält ein gelartiges Ionomer. Der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer umfasst einen zylindrischen Rührbehälter, einen Drehschieber, und eine Welle. Der zylindrische Rührbehälter weist Ungleichmäßigkeiten bzw. Unebenheiten auf einer inneren Umfangsfläche desselben auf. Der Drehschieber ist konzentrisch zum Rührbehälter und weist einen äußeren Durchmesser auf, welcher geringfügig kleiner als der innere Durchmesser des Rührbehälters ist. Die Welle umfasst den Drehschieber auf einem Endabschnitt derselben und ist bei einer hohen Geschwindigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung drehbar.
(2) Das Verfahren gemäß (1), wobei das gelartige Ionomer eine hohe Sauerstoff-Permeabilität aufweist.
(3) Das Verfahren gemäß (1) oder (2), wobei das Ionomer ferner ein lösungsartiges Ionomer umfasst.
(4) Das Verfahren gemäß einem von (1) bis (3), wobei der Katalysator einen Kohlenstoff umfasst, das Ionomer ferner ein lösungsartiges Ionomer umfasst, und ein Gehalt des lösungsartigen Ionomers von 0 Massenteile bis 20 Massenteile ist, wenn ein Gehalt des Kohlenstoffs im Katalysator als 100 Massenteile definiert ist.
(5) Ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, umfassend Auftragen einer Katalysatortinte für Brennstoffzellenelektroden, welche durch das Verfahren gemäß einem von (1) bis (4) erhalten wird, über einen Feststoffpolymerelektrolyten mittels eines Düsenbeschichtungsverfahrens, um eine Brennstoffzellenelektrode zu bilden.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden bereit, welches das Durchführen von (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte gleichzeitig ermöglicht.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel eines Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers („high-shear thin-film spin mixer“), welcher für die vorliegende Erfindung verwendet wird, schematisch darstellt;
2 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Katalysatortinte der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung von Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele darstellt;
4 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung von Katalysatortinte der Beispiele darstellt;
5 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen Partikelgrößen und einer Häufigkeit derselben für Katalysatoren in Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 darstellt;
6 ist ein Graph, welcher Werte der Partikelgröße D90 in Partikelgrößenverteilungen nach Ultraschall-Dispersion und nach FILMIX-Dispersion in den Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 darstellt;
7 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen Partikelgrößen und einer Häufigkeit derselben für Katalysatoren in Katalysatortinten des Vergleichsbeispiels 2 und des Beispiels 1 darstellt; und
8 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen Partikelgrößen und einer Häufigkeit derselben für Katalysatoren in Katalysatortinten des Vergleichsbeispiels 3 und des Beispiels 2 darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Nachstehende beschreibt geeignete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail.
In dieser Beschreibung werden bei Bedarf Merkmale der vorliegenden Erfindung mit Bezug zur Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung sind Größenordnungen bzw. Dimensionen und Formen bzw. Gestalten der jeweiligen Komponenten aus Klarheitsgründen vergrößert und tatsächliche Größenordnungen und Gestalten sind nicht genau dargestellt. Dementsprechend ist der technische Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die Größenordnungen oder Gestalten der jeweiligen Komponenten, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt. Man beachte, dass ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden der vorliegenden Erfindung nicht auf die nachstehenden Ausführungsformen beschränkt ist, und in verschiedenen Konfigurationen durchgeführt werden kann, wobei Änderungen, Verbesserungen und ähnliches, die ein Fachmann, innerhalb des Umfangs, welcher nicht vom Konzept der vorliegenden Erfindung abweicht, machen kann, gegeben sind.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden, welche einen Katalysator, ein Lösungsmittel, und ein Ionomer enthält, wobei das Verfahren einen Schritt des Rührens und Mischens des Katalysators, des Lösungsmittels, und des Ionomers, welches ein gelartiges Ionomer enthält, mittels eines spezifischen Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers umfasst.
Hier kann der in dem technischen Gebiet bekannte Katalysator als der Katalysator verwendet werden, und der Katalysator ist nicht beschränkt. Als der Katalysator kann zum Beispiel ein geträgerter Metallkatalysator verwendet werden. Im geträgerten Metallkatalysator ist ein Metallkatalysator auf einen Träger geträgert.
Als der Träger kann der in dem technischen Gebiet bekannte Träger verwendet werden, und der Träger ist nicht beschränkt. Als der Träger kann ein Feststoff-Kohlenstoffträger, ein hohler Kohlenstoffträger, ein hochkristalliner Kohlenstoffträger, und ähnliches verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Kohlenstoffmaterial, wie Ruß, zum Beispiel Ruß vom Acetylenruß-Typ (zum Beispiel Ketjen), ein Ruß vom Ofenruß-Typ (zum Beispiel, Vulcan), eine Kohlenstoff-Nanoröhre, und eine Kohlenstoff-Nanofaser, eine Kohlenstoffverbindung, wie Siliziumcarbid, eine Mischung derselben, und ähnliches, verwendet werden. In einigen Ausführungsformen wird der Ruß vom Acetylenruß-Typ als der Träger verwendet.
Der Träger, welcher eine große Oberfläche aufweist und auf welchem Metallkatalysator in Nanogröße auf der Oberfläche verteilt ist, wird in einigen Ausführungsformen verwendet.
Die spezifische BET-Oberfläche des Trägers ist nicht beschränkt, aber ist gewöhnlich von 100 m²/g bis 1500 m²/g, ist in einigen Ausführungsformen von 150 m²/g bis 1400 m²/g, und ist in einigen Ausführungsformen von 180 m²/g bis 1300 m²/g.
Die spezifische Oberfläche des Trägers in dem Bereich ermöglicht das gleichmäßige Trägern des Metallkatalysators in Nanogröße auf die Oberfläche des Trägers und ermöglicht das ausreichende Sicherstellen von Reaktionsfeldern in den nachstehend beschriebenen Elektroden.
Der Metallkatalysator, welcher auf dem Träger geträgert ist, ist nicht beschränkt, solange eine katalytische Wirkung in der Reaktion an den Elektroden der MEA gezeigt wird.
Luft-Elektrode (Kathode): O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O
Brennstoff-Elektrode (Anode): 2H₂→4H⁺+4e^-
Es kann der in dem technischen Gebiet bekannte Metallkatalysator verwendet werden. Als der Metallkatalysator, welcher nicht beschränkt ist, kann zum Beispiel Platin, eine Platin-Legierung, Palladium, Rhodium, Gold, Silber, Osmium, Iridium, oder ähnliches, oder eine Mischung derselben verwendet werden. Beispiele der Platin-Legierung umfassen zum Beispiel eine Legierung von Platin und mindestens einer Art von Aluminium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Gallium, Zirkonium, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Vanadium, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Titan, oder Blei, zum Beispiel Platin-Kobalt. Als der Metallkatalysator wird in einigen Ausführungsformen das Platin-Kobalt verwendet.
In einigen Ausführungsformen wird der Metallkatalysator mit einer Verteilung, in welcher die Partikelgrößen gleich sind, hinsichtlich den Aspekten der Leistung bzw. Leistungsfähigkeit und der Beständigkeit bzw. Strapazierfähigkeit bzw. Langlebigkeit des Katalysators, und letztlich der Leistung und der Strapazierfähigkeit der Brennstoffzelle verwendet.
Obwohl die mittlere Partikelgröße des Metallkatalysators als ein mittlerer Äquivalenzkreis-Durchmesser von 100 Partikeln in einem TEM-Bild bzw. in TEM-Bildern nicht beschränkt ist, ist die mittlere Partikelgröße des Metallkatalysators gewöhnlich von 1 nm bis 10 nm und in einigen Ausführungsformen von 2 nm bis 5 nm.
Die Menge des Metallkatalysators ist, bezogen auf die Gesamtmasse des geträgerten Metallkatalysators, gewöhnlich von 10 Massen% bis 80 Massen% und in einigen Ausführungsformen von 15 Massen% bis 60 Massen%.
Obwohl sie nicht beschränkt ist, ist die mittlere Partikelgröße des Katalysators, zum Beispiel des geträgerten Metallkatalysators als ein mittlerer Äquivalenzkreis-Durchmesser von 100 Partikeln in einem SEM-Bild bzw. in SEM-Bildern gewöhnlich von 10 nm bis 150 nm und in einigen Ausführungsformen von 15 nm bis 100 nm.
Der geträgerte Metallkatalysator kann durch das in dem technischen Gebiet bekannte Verfahren hergestellt werden.
Die Menge des Katalysators, zum Beispiel des geträgerten Metallkatalysators ist, bezogen auf die Gesamtmasse der Katalysatortinte, gewöhnlich von 1 Massen% bis 20 Massen% und in einigen Ausführungsformen von 3 Massen% bis 10 Massen%.
Das Lösungsmittel dient dazu, den Katalysator und ein nachstehend beschriebenes Ionomer zu dispergieren, und das in dem technischen Gebiet bekannte Lösungsmittel kann verwendet werden. Das Lösungsmittel umfasst, aber ist nicht darauf beschränkt, Wasser, Alkohol, zum Beispiel aliphatischer Alkohol (zum Beispiel Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol), und ähnliches, oder eine Mischung derselben. Als das Lösungsmittel wird in einigen Ausführungsformen das gemischte Lösungsmittel aus Wasser und Alkohol, insbesondere Ethanol, verwendet. Bei dem gemischten Lösungsmittel aus Wasser und Alkohol, spielt das Wasser in der Zündvermeidung bzw. Vermeidung der Zündung und der Adsorption des Ionomers an den Katalysator eine Rolle, und der Alkohol spielt bei der Förderung der Benetzbarkeit des Katalysators eine Rolle. Der Gehalt an Alkohol in dem gemischten Lösungsmittel aus Wasser und Alkohol ist, bezogen auf die Gesamtmasse des gemischten Lösungsmittels, gewöhnlich von 30 Massen% bis 70 Massen%, in einigen Ausführungsformen von 30 Massen% bis 50 Massen%, und in einigen Ausführungsformen von 40 Massen% bis 50 Massen%.
Das Ionomer enthält ein gelartiges Ionomer. Das gelartige Ionomer spielt eine Rolle bei der Einstellung der Viskosität in der Katalysatortinte. Als das gelartige Ionomer kann das in dem technischen Gebiet bekannte gelartige Ionomer verwendet werden, und das gelartige Ionomer ist nicht beschränkt. Das gelartige Ionomer kann zum Beispiel durch Änderung der Lösungsmittel-Spezies und eines Verhältnisses des Feststoffgehalts in einem nachstehend beschriebenen lösungsartigen Ionomer, und Erwärmen, Rührung, und Gelieren des Erhaltenen erhalten werden. Als das gelartige Ionomer wird in einigen Ausführungsformen ein Ionomer mit hoher Sauerstoffdurchlässigkeit verwendet. Man beachte, dass das Ionomer mit hoher Sauerstoffdurchlässigkeit ein Ionomer mit einer Struktur bedeutet, welche möglicherweise eine sterische Hinderung bei der Bildung des Ionomers wird, zum Beispiel das in JP 2003-036856 A offenbarte Ionomer.
Das gelartige Ionomer bedeutet ein Ionomer mit einem Speicherelastizitätsmodul von 10 Pa oder mehr, wenn unter den nachstehenden Bedingungen gemessen wird.

Messinstrument: Rheometer, hergestellt von Anton-Paar
Modus: Viskoelastizitätsmessung
Durchmesser der Parallelplatte: 25 mm
Frequenz: 1 kHz
Deformation: 1 %

Als das gelartige Ionomer, wird in einigen Ausführungsformen das Ionomer mit dem Speicherelastizitätsmodul von 30 Pa oder mehr bis weniger als 700 Pa, wenn unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gemessen wird, verwendet.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung enthält das Ionomer das gelartige Ionomer. Deshalb spielt das durch den Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer pulverisierte gelartige Ionomer nicht nur die Rolle als ein Viskositätsmodifikator, sondern auch eine Rolle als Dispergiermittel des geläuterten Katalysators, und deshalb kann der Gehalt des nachstehend beschriebenen lösungsartigen Ionomers verringert werden, und ferner kann die Gasdiffusionsfähigkeit der Katalysatorschicht verbessert werden.
Das Ionomer kann, zusätzlich zu dem gelartigen Ionomer, ferner ein lösungsartiges Ionomer enthalten. Als das lösungsartige Ionomer kann das in dem technischen Gebiet bekannte lösungsartige Ionomer verwendet werden, und das lösungsartige Ionomer ist nicht beschränkt. Als das lösungsartige Ionomer kann zum Beispiel ein Fluor-Ionomer verwendet werden. Als das handelsübliche Produkt kann zum Beispiel Nafion (eingetragene Handelsmarke) (hergestellt von DuPont de Nemours, Inc.), Aciplex (eingetragene Handelsmarke) (hergestellt von Asahi Kasei Corporation), und FLEMION (eingetragene Handelsmarke) (hergestellt von AGC Inc.) verwendet werden. Als eine ionische Struktur kann eine Struktur ausgewählt werden, welche durch Brechen einer Doppelbindung eines Monomers mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, welche eine, wie ein Nafion (eingetragene Handelsmarke) Monomer und ein Dow (eingetragene Handelsmarke) Monomer (vom Typ kurzer Kette), ist, gewählt werden. Andere nicht-ionische Strukturen können eine Kettenstruktur sein, oder können eine kreisförmige bzw. runde Struktur sein. Insbesondere kann eine Struktur, welche durch Brechen einer Doppelbindung eines Monomers mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung erhalten werden kann, welche eine, wie Polytetrafluorethylen, Polyhexafluorpropylen, Perfluorpoly(ethylvinylether), Perfluorpoly(propylvinylether), Perfluor(2,2-dimethyl-1,3-dioxol), Perfluor(2-methyl-1,3-dioxol), und Perfluor(1,3-dioxol) ist, ausgewählt werden. Als das lösungsartige Ionomer kann, ähnlich zum gelartigen Ionomer, das Ionomer mit hoher Sauerstoffdurchlässigkeit verwendet werden.
Das lösungsartige Ionomer bedeutet ein Ionomer mit einem Speicherelastizitätsmodul von weniger als 10 Pa, wenn unter den nachstehenden Bedingungen gemessen wird.

Als das lösungsartige Ionomer wird in einigen Ausführungsformen das Ionomer mit dem Speicherelastizitätsmodul von weniger als 5 Pa, wenn unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gemessen wird, verwendet.
Das lösungsartige Ionomer adsorbiert an den Träger des Katalysators und wirkt auch als das Dispergiermittel. Das Dispergiermittel adsorbiert an den Katalysator, dessen Größe durch mechanisches Zerkleinern bzw. Vermahlen verringert wurde, und zeigt dann eine Wirkung des Stabilisierens der Partikelgröße des Katalysators.
Obwohl er nicht beschränkt ist, ist der Gehalt des lösungsartigen Ionomers, wenn der Kohlenstoff in dem Katalysator auf 100 Massenteile eingestellt ist, gewöhnlich von 0 Massenteile bis 40 Massenteile, zum Beispiel von 0 Massenteile bis 20 Massenteile, und in einigen Ausführungsformen von 5 Massenteile bis 30 Massenteile.
Der Gehalt des gesamten Monomers (das gelartige Ionomer + das lösungsartige Ionomer) ist, wenn der Kohlenstoff in dem Katalysator auf 100 Massenteile eingestellt ist, gewöhnlich von 20 Massenteile bis 100 Massenteile und in einigen Ausführungsformen von 50 Massenteile bis 90 Massenteile.
Der gesamte Gehalt des Ionomers innerhalb des Bereiches ermöglicht das gleichzeitige Durchführen der (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte in der vorliegenden Erfindung.
Als das Rohmaterial kann, zusätzlich zu dem Katalysator, zum Lösungsmittel, und zum vorstehend beschriebenen Ionomer, das in dem technischen Gebiet bekannte Additiv verwendet werden. Das Additiv bzw. der Zusatz, welcher als ein Rohmaterial verwendet werden kann, umfasst, aber ist nicht darauf beschränkt, ein Material, welches Radikale, welche als eine Substanz bekannt sind, welche die Elektrolytmembran zersetzt, inaktiv macht, zum Beispiel eine Cer-Ionenquelle, zum Beispiel Cernitrat.
Der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer, welcher den Katalysator, das Lösungsmittel, und das Ionomer in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung rührt und mischt, umfasst einen zylindrischen Rührbehälter, einen Drehschieber, und eine Welle. Der zylindrische Rührbehälter weist Unebenheiten bzw. Ungleichmäßigkeiten auf der Innenumfangsfläche auf. Der Drehschieber ist konzentrisch zum Rührbehälter und weist den äußeren Durchmesser auf, welcher ein bisschen kleiner als der innere Durchmesser des Rührbehälters ist. Die Welle umfasst den Drehschieber auf dem Endabschnitt und ist bei hoher Geschwindigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung drehbar.
Die Reihenfolge der Zugabe des Katalysators, des Lösungsmittels, und des Ionomers in den Rührbehälter, die Temperatur der Zugabe, und ähnliches sind hier nicht beschränkt, und die Zugabe wird durch das in dem technischen Gebiet bekannte Verfahren durchgeführt.
Der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer rotiert die Welle bei hoher Geschwindigkeit, um den Drehschieber bei hoher Geschwindigkeit zu rotieren. Somit werden die Rohmaterialien (der Katalysator + das Lösungsmittel + das Ionomer), welche in den Rührbehälter eingeführt wurden, gerührt, während bei hoher Geschwindigkeit in einer hohlen zylindrischen Dünnfilm-Gestalt entlang der Innenumfangsfläche des Rührbehälters rotiert wird, was die Oberfläche ist, welche senkrecht zur Rotationsrichtung des Drehschiebers ist, und die Unebenheiten bzw. Ungleichmäßigkeiten aufweist.
Der Rührbehälter und der Drehschieber in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer sind aus Metall hergestellt, sind zum Beispiel aus Edelstahl hergestellt, oder sind aus Nickel hergestellt, oder sind aus einem Nichtmetall hergestellt, sind zum Beispiel aus Keramik hergestellt, um eine Kontamination eines Metalls zu den Rohmaterialien zu verhindern.
Die Ungleichmäßigkeit bzw. Unebenheit auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer umfasst, zum Beispiel streifenförmige Rillen bzw. Nute, gitterartige Rillen bzw. Nute, oder Mulden bzw. Vertiefungen, oder eine Kombination derselben.
Als die Unebenheit auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer können Ungleichmäßigkeiten bzw. Unebenheiten in Mustern, welche sich gemäß den unterteilten Bereichen der Innenumfangsfläche unterscheiden, ausgebildet sein.
Die Ungleichmäßigkeiten auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer können gemäß jeglicher aus der gesamten Konfiguration oder einer Teilkonfiguration der Außenumfangsfläche des Drehschiebers ausgebildet sein.
Die Steigung der Unebenheit auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer kann mindestens eine Größenordnung größer als die Breite oder die Tiefe der Unebenheiten, oder beides davon, sein. Zum Beispiel sind die Unregelmäßigkeiten bzw. Unebenheiten auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters die streifen-förmigen Rillen bzw. Nuten, und die Steigung der Rillen (die Breite des vorstehenden Abschnitts) ist gewöhnlich von 1 mm bis 2 mm, die Breite der Rillen ist gewöhnlich von 100 µm bis 300 µm, und die Tiefe der Rillen ist gewöhnlich von 10 µm bis 100 µm. Zum Beispiel sind die Unregelmäßigkeiten auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters die gitterartigen Rillen, welche sich bei der Neigung bzw. Steigung von gewöhnlich von 20 Grad bis 40 Grad schneiden, zum Beispiel, bei 30 Grad, und die Steigung der Rillen ist gewöhnlich von 1 mm bis 2 mm, die Breite der Rillen ist gewöhnlich von 100 µm bis 300 µm, und die Tiefe der Rillen ist gewöhnlich von 10 µm bis 100 µm. Zum Beispiel sind die Unregelmäßigkeiten auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters Vertiefungen bzw. Grübchen, in welchen Löcher an Teilen, welche Schnittpunkten von Gittern, entsprechen, welche bei der Steigung von gewöhnlich von 20 Grad bis 40 Grad, zum Beispiel bei 30 Grad schneiden, ausgebildet sind, und die Größe des Lochs ist gewöhnlich von φ 100 µm bis 300 µm, die Tiefe ist gewöhnlich von 10 µm bis 100 µm, und die Neigung bzw. Steigung ist gewöhnlich von 1 mm bis 2 mm.
In dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer kann der Drehschieber einen porösen zylindrischen Abschnitt mit einer hohen Anzahl an durchdringenden kleinen Löchern in der Umfangsfläche des zylindrischen Körpers des Drehschiebers an der Außenumfangsfläche umfassen, wobei der Drehschieber mit einer Beule bzw. Lochplatte („boss“) mittels eines Armes bzw. mittels Armen in der Mitte des porösen zylindrischen Abschnitts integriert sein kann, und der Drehschieber kann in einer Rad-Form ausgebildet sein.
Der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer kann einen oberen Behälter umfassen, welcher mindestens ein Auslassrohr über eine Sperrplatte mit einer Öffnung bzw. Öffnungen auf dem Rührbehälter umfasst, und die Sperrplatte kann mit einer Sperrplatte mit einer anderen Öffnung bzw. mit anderen Öffnungen austauschbar sein.
In dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer können der obere Behälter und der Rührbehälter fähig sein, Vakuumevakuierung durchzuführen.
1 stellt ein Beispiel des Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers, welcher für die vorliegende Erfindung verwendet wird, schematisch dar. In 1 umfasst der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer (1) den zylindrischen Rührbehälter (2), den Drehschieber (5), und die Welle (6). Der zylindrische Rührbehälter (2) weist die Ungleichmäßigkeiten bzw. Unebenheiten (3, 4) auf der Innenumfangsfläche auf. Der Drehschieber (5) ist konzentrisch zum Rührbehälter (2) und weist den äußeren Durchmesser auf, welcher ein bisschen kleiner ist als der innere Durchmesser des Rührbehälters (2). Die Welle (6) umfasst den Drehschieber (5) auf dem Endabschnitt und ist bei hoher Geschwindigkeit in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung drehbar.
Als der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer kann zum Beispiel die in JP 2007-125454 A offenbarte Hochgeschwindigkeits-Rührvorrichtung verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung ist, obwohl sie nicht beschränkt ist, die Umfangsgeschwindigkeit des Drehschiebers in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer gewöhnlich von 5 m/s (Sekunde) bis 50 m/s und in einigen Ausführungsformen von 20 m/s bis 50 m/s.
In der vorliegenden Erfindung können als die Betriebsbedingungen des Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers die in dem technischen Gebiet bekannten Bedingungen verwendet werden, und die Betriebsbedingungen sind nicht beschränkt. Der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer wird zum Beispiel gewöhnlich bei 20 °C bis 60 °C, in einigen Ausführungsformen bei 25 °C bis 50 °C, und gewöhnlich für eine Minute bis 10 Minuten und in einigen Ausführungsformen für drei Minuten bis acht Minuten betrieben.
Es wird angenommen, dass durch die Verwendung des Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers zum Rühren und Mischen des Katalysators, des Lösungsmittels, und des Ionomers in der vorliegenden Erfindung zuerst das Zusammentreffen bzw. die Kollision von diesen Rohmaterialien in den auf dem Rührbehälter ausgebildeten Ungleichmäßigkeiten bzw. Unebenheiten eine turbulente Strömung erzeugt, die turbulente Strömung Kavitation bewirkt, die Kavitation eine Aufprallwelle erzeugt, die Aufprallwelle den harten Katalysator läutert, dass er kleiner als die mechanischen Abstände ist, und schließlich nicht nur das weiche gelartige Ionomer, sondern auch der harte Katalysator pulverisiert werden kann.
Außerdem kann, da in der vorliegenden Erfindung (i) Läuterung des Katalysators und (ii) Einstellung der Viskosität der Katalysatortinte gleichzeitig durchgeführt werden können, die Dispergiervorrichtung, um die Katalysatortinte herzustellen, einzig sein, wodurch ermöglicht wird, zum Beispiel Kosten der Ausrüstung, menschliche Arbeit, und Zeit, welche wahrscheinlich für die Herstellung der Katalysatortinte benötigt werden, zu verringern.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Schritt der Abtrennung grober Partikel, welche nicht vollständig geläutert werden können, und deshalb möglicherweise in der Katalysatortinte enthalten sind, vom Katalysator durch Filtration, Zentrifugieren, oder ähnlichem umfassen (ein Schritt der Abtrennung und Entfernung von groben Partikeln).
Der Schritt der Abtrennung und Entfernung von groben Partikeln zusätzlich zu dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, die Leistung und Langlebigkeit der Katalysatorschicht und eventuell die Leistung und die Strapazierfähigkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Schritt des Entfernens von Schäumen, welche möglicherweise in der Katalysatortinte enthalten sind, durch zum Beispiel eine Entschäum-Maschine umfassen (ein Schritt des Entschäumens).
Der Schritt des Entschäumens zusätzlich zu dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, ein Nadelloch und ein Reißen in der Katalysatorschicht zu verhindern, und die Leistung bzw. Leistungsfähigkeit und die Beständigkeit bzw. Strapazierbarkeit der Katalysatorschicht und eventuell die Leistung und die Langlebigkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
2 stellt ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Katalysatortinte der vorliegenden Erfindung dar. In 2 werden zuerst der Katalysator, das lösungsartige Ionomer und das gelartige Ionomer als das Ionomer, und Wasser und Ethanol als das Lösungsmittel, welches die Rohmaterialien der Katalysatortinte sind, gewogen. Als nächstes wird jedes der gewogenen Rohmaterialien in den Rührbehälter des Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers platziert, und anschließend werden die Rohmaterialien in dem Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer gerührt, gemischt und pulverisiert, und in einigen Fällen werden schließlich die Filtration und der Entschäumprozess durchgeführt.
In der durch die vorliegende Erfindung erhaltene Katalysatortinte ist die Menge des Feststoffgehalts, das heißt, das Ionomer (das gelartige Ionomer + das lösungsartige Ionomer) und der Katalysator, bezogen auf die Gesamtmasse der Katalysatortinte, gewöhnlich von 5 Massen% bis 20 Massen% und in einigen Ausführungsformen von 7 Massen% bis 15 Massen%.
Die Partikelgröße des Katalysators in der durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Katalysatortinte ist in einigen Ausführungsformen klein, aber ist nicht darauf beschränkt. Wenn eine Volumen-basierte Partikelgrößenverteilung mittels Laserbeugungsstreuungs-Partikelgrößenverteilungs-Messverfahren gemessen wird, ist D50 gewöhnlich von 0,1 µm bis 2 µm und in einigen Ausführungsformen von 0,5 µm bis 1 µm, und D90 ist gewöhnlich von 1 µm bis 10 µm und in einigen Ausführungsformen von 2 µm bis 8 µm.
Die Partikelgröße des Katalysators in der Katalysatortinte innerhalb des Bereichs ermöglicht das ausreichend Sicherstellen der Leistung bzw. Leistungsfähigkeit und der Beständigkeit bzw. Strapazierfähigkeit des Katalysators.
Die Viskosität der durch die vorliegende Erfindung erhaltene Katalysatortinte ist, wenn unter der Bedingung der Scherrate von 500 s^-1 gemessen wird, gewöhnlich von 2 mPa·s bis 160 mPa·s und in einigen Ausführungsformen von 19 mPa·s bis 98 mPa·s.
Die Viskosität der Katalysatortinte innerhalb des Bereiches ermöglicht das leichte Auftragen der Katalysatortinte mittels des Düsen-Beschichtungsverfahrens (Schlitzdüsen-Beschichtungsverfahren, „slot-die coating method“).
Die Verwendung der durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Katalysatortinte ermöglicht ferner zum Beispiel das Herstellen einer Katalysatorschicht für Brennstoffzellen-Elektroden, wie folgt durch das in dem technischen Gebiet bekannte Verfahren.
Die durch die vorliegende Erfindung erhaltene Katalysatortinte wird über bzw. auf ein Substrat aufgetragen, welches abgeschält bzw. abgezogen bzw. abgelöst werden kann, zum Beispiel, ein Teflon-Band bzw. Teflon-Blatt bei gewöhnlicher Temperatur bzw. Raumtemperatur mittels des bekannten Sprüh/Befestigungs/Auftragungs-Verfahrens („spraying/attachment/application method“), insbesondere das Düsenbeschichtungsverfahren („die coating method“), um einen Katalysatorschicht-Vorläufer zu bilden. Der Katalysatorschicht-Vorläufer wird bei einer Schichtdicke derart aufgetragen, dass die Katalysatorschicht für Brennstoffzellen-Elektroden eine Schichtdicke gewöhnlich von 60 µm bis 200 µm aufweist. Der Katalysatorschicht-Vorläufer auf dem Substrat wird bei gewöhnlich von 60 °C bis 150 °C und gewöhnlich für 30 Sekunden bis 0,5 Stunden durch das bekannte Trocknungsverfahren getrocknet, zum Beispiel durch die Verwendung eines Gebläsetrockners, um eine flüchtige Substanz, wie ein Lösungsmittel, zu entfernen, die Katalysatorschicht wird hergestellt, und die Katalysatorschicht wird von dem Substrat abgelöst bzw. abgezogen, um die Katalysatorschicht zu erhalten.
In der vorstehenden Beschreibung wird hier die Katalysatortinte gesprüht, befestigt, und/oder über bzw. auf das Substrat aufgetragen, und anschließend wird die Katalysatortinte getrocknet und abgelöst bzw. abgezogen, um die Katalysatorschicht zu erhalten. Die Katalysatortinte wird jedoch direkt gesprüht, befestigt, und/oder über die Oberfläche der Feststoffpolymerelektrolytmembran, wie eine Nafion-Membran aufgetragen, und danach wird die Katalysatortinte getrocknet, um eine Herstellung zu ermöglichen, in welcher die Katalysatorschicht und die Feststoffpolymerelektrolytmembran zusammengesetzt bzw. zusammengebaut werden.
Wenn die Katalysatorschicht für Brennstoffzellen-Elektroden unter Verwendung der durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Katalysatortinte hergestellt wird, kann der Feststoffgehalt der Katalysatortinte erhöht werden, und daher wird eine Trocknungsbeladung während des Trocknens der Katalysatortinte verringert. Außerdem werden durch den Feststoffgehalt in der Katalysatortinte und der geeigneten Viskosität der Katalysatortinte sowohl das Verhindern von Rissbildung bzw. Rissen der Oberfläche der Katalysatorschicht als auch das Erleichtern der diskontinuierlichen Beschichtung aus dem Tintenzustand erreicht.
Die erhaltene Katalysatorschicht für Brennstoffzellen-Elektroden kann als eine Luftelektrode und/oder eine Brennstoffelektrode, welche in den MEA verschiedener elektrochemischer Vorrichtungen enthalten sind, wie einer Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, verwendet werden.
Ferner kann unter Verwendung der erhaltenen Katalysatorschicht für Brennstoffzellen-Elektroden zum Beispiel die MEA wie folgt hergestellt werden.
Unter Verwendung der erhaltenen Katalysatorschicht für Brennstoffzellen-Elektroden als die Luftelektrode und/oder die Brennstoffelektrode wird die Luftelektrode auf einer Oberfläche angeordnet, und die Brennstoffelektrode wird auf der anderen Oberfläche mit der dazwischen angeordneten Feststoffpolymerelektrolytmembran angeordnet, um eine Schichtanordnung zu erhalten. Durch Änderung des verwendeten Metallkatalysators, oder ähnlichem, werden hier die Luftelektrode und die Brennstoff-elektrode hergestellt, um eine jede von den Elektroden einzustellen. Die vorstehend beschriebene Schichtanordnung, welche wie die Luftelektrode-die Feststoffpolymerelektrolytmembran-die Brennstoffelektrode angeordnet ist, wird mit einer heißen Presse bei gewöhnlich von 100 °C bis 200 °C und gewöhnlich mit einem Druck von 1 MPa bis 10 MPa für gewöhnlich von 50 Sekunden bis 600 Sekunden pressgebunden („pressbonded“), um die MEA zu erhalten.
Die unter Verwendung der durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Katalysatortinte letztendlich hergestellte Brennstoffzelle weist eine verbesserte Batterieleistung als verschiedene elektrochemische Vorrichtungen, wie die Feststoffpolymer-Brennstoffzelle, auf.
[Beispiel]
Während das Nachstehende einige Beispiele hinsichtlich der vorliegenden Erfindung beschreibt, ist es nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf diese, welche in derartigen Beispielen beschrieben sind, zu beschränken.
1. Herstellung der Katalysatortinte
Vergleichsbeispiel 1
Die Katalysatortinte wurde gemäß dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte, welches in 3 dargestellt ist, hergestellt.

(i) In einen Behälter wurden als Rohmaterialien, ein Katalysator, wobei eine Platin-Kobalt-Legierung (Platin 45,0 Massen% und Kobalt 2,3 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse des Katalysators) als ein Katalysator auf Ruß vom Acetylenruß-Typ (die spezifische Oberfläche: ungefähr 300 m²/g) geträgert wurde, Wasser und Ethanol (Ethanol 30 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse des gemischten Lösungsmittels) als ein Lösungsmittel, ein lösungsartiges Ionomer (30 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ) als ein Dispergiermittel, und eine wässrige Cernitrat-Lösung als ein Additiv eingewogen und zugegeben. Ein Dispergieren wurde mittels eines Ultraschall-Homogenisators (wenn Bestrahlen mit einer Ausgabe von 600 W und 20 kHz für 75 Sekunden, Stoppen der Bestrahlung, und Kühlen für 120 Sekunden als ein Zyklus eingestellt wurde, wurden 10 Zyklen durchgeführt, Ultraschall-Dispersion) durchgeführt.
(ii) Als nächstes wurden in die in (i) erhaltene Dispersionsflüssigkeit eine Lösung, welche Wasser und Ethanol (Ethanol 37 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse des gemischten Lösungsmittels) als das Lösungsmittel und ein gelartiges Ionomer zur Einstellung der Viskosität (dessen Gehalt derart eingestellt wurde, dass der Gehalt des gesamten Ionomers (das lösungsartige Ionomer + das gelartige Ionomer) 70 Massenteile war, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ) umfasst, eingewogen und zugegeben. Nach einer Anker-Dispersion und einer Disper-Dispersion, wurde Dispersion mittels eines Dünnfilm-Spin-Mischers (FILMIX, hergestellt von PRIMIX Corporation) durchgeführt (bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 30 m/s für 180 Sekunden, FILMIX-Dispersion), um eine Katalysatortinte (Feststoffgehalt 10 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse der Katalysatortinte) herzustellen.

Vergleichsbeispiel 2
Außer, dass die zugegebene Menge des lösungsartigen Ionomers als das Dispergiermittel in dem Schritt (i) in Vergleichsbeispiel 1 von „30 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ“ auf „20 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ“ geändert wurde, wurde die Katalysatortinte ähnlich wie Vergleichsbeispiel 1 hergestellt.
Vergleichsbeispiel 3
Außer, dass die zugegebene Menge des lösungsartigen Ionomers als das Dispergiermittel in dem Schritt (i) in Vergleichsbeispiel 1 von „30 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ“ auf „10 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ“ geändert wurde, wurde die Katalysatortinte ähnlich wie Vergleichsbeispiel 1 hergestellt.
Vergleichsbeispiel 4
Außer, dass der „Ruß vom Acetylenruß-Typ (die spezifische Oberfläche: ungefähr 300 m²/g)“ in dem Katalysator in Vergleichsbeispiel 1 auf „den Träger, in welchem das Ketjen bei hoher Temperatur gebrannt wurde und dann die Kristallinität desselben verbessert wurde (die spezifische Oberfläche: ungefähr 180 m²/g)“ geändert wurde, wurde die Katalysatortinte ähnlich wie Vergleichsbeispiel 1 hergestellt.

Tabelle 1 fasst das I/C (die Masse des Ionomers/die Masse des Trägers im Katalysator (die Masse an Ruß)) der Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 zusammen. [Tabelle 1]

Probe	Katalysator-Spezies	I/C vor Ultraschall-Dispersion* (Anteil des lösungsartigen Ionomers, bezogen auf das gesamte Ionomer)	I/C vor FILMIX-Dispersion** (Anteil des gelartigen Ionomers, bezogen auf das gesamte Ionomer)	Gesamt I/C***
Vergleichsbeispiel 1	Pt: 45,0 Massen% Co: 2,3 Massen% Aktivierter Ruß	0,3 (42,9%)	0,4 (57,1%)	0,70
Vergleichsbeispiel 2		0,2 (28,6%)	0,5 (71,4%)	0,70
Vergleichsbeispiel 3		0,1 (14,3%)	0,6 (85,7%)	0,70

*I/C = Masse an lösungsartigen Ionomer/Masse an Ruß
**I/C = Masse an gelartigen Ionomer/Masse an Ruß
***I/C = (Masse an lösungsartigen Ionomer + gelartigen Ionomer)/Masse an Ruß

Beispiel 1
Die Katalysatortinte wurde gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte, welches in 4 dargestellt ist, hergestellt.
In einem Rührbehälter mit Unebenheiten bzw. Ungleichmäßigkeiten durch einen Rillen- bzw. Nutprozess auf einer Innenumfangsfläche (die Unebenheiten: streifenförmige Rillen, die Steigung der Rille: 1,5 mm, die Breite der Rille: 200 µm, und die Tiefe der Rille: 50 µm), wurden als Rohmaterialien ein Katalysator, wobei eine Platin-KobaltLegierung (Platin 45,0 Massen% und Kobalt 2,3 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse des Katalysators) als ein Katalysator auf Ruß vom Acetylenruß-Typ (die spezifische Oberfläche: ungefähr 300 m²/g) geträgert wurde, Wasser und Ethanol (Ethanol 37 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse des gemischten Lösungsmittels) als ein Lösungsmittel, ein lösungsartiges Ionomer (20 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ) als ein Dispergiermittel, ein gelartiges Ionomer zum Einstellen der Viskosität (dessen Gehalt wurde derart eingestellt, dass der Gehalt des gesamten Ionomers (das lösungsartige Ionomer + das gelartige Ionomer) 70 Massenteile war, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ), und Cernitrat als ein Additiv gewogen und zugegeben. Nach der Anker-Dispersion und der Disper-Dispersion wurde eine Dispersion mittels eines Dünnfilm-Spin-Mischers (FILMIX, hergestellt von PRIMIX Corporation, wobei der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer mit Unebenheiten durch Nut- bzw. Rillenverarbeitung auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters) durchgeführt (bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 30 m/s für 180 Sekunden, verbesserte FILMIX-Dispersion), um eine Katalysatortinte (Feststoffgehalt 10 Massen%, bezogen auf die Gesamtmasse der Katalysatortinte) herzustellen.
Beispiel 2
Außer, dass die zusätzliche Menge des lösungsartigen Ionomers als das Dispergiermittel in Beispiel 1 von „20 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ“ auf „10 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile an Ruß vom Acetylenruß-Typ“ geändert wurde, wurde die Katalysatortinte in ähnlicher Weise wie Beispiel 1 hergestellt.
Beispiel 3
Außer, dass „der Ruß vom Acetylenruß-Typ (die spezifische Oberfläche: ungefähr 300 m²/g)“ im Katalysator in Beispiel 1 auf „der Träger, wobei das Ketjen bei hoher Temperatur gebrannt wurde, und dann Kristallinität desselben verbessert wurde (die spezifische Oberfläche: ungefähr 180 m²/g)“ geändert wurde, wurde die Katalysatortinte auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Tabelle 2 fasst das I/C (die Masse des Ionomers/die Masse des Trägers im Katalysator (die Masse an Ruß)) der Katalysatortinten der Beispiele 1 und 2 zusammen. [Tabelle 2]

Probe	Katalysator-Spezies	I/C* (Anteil des lösungsartigen Ionomers, bezogen auf das gesamte Ionomer)	I/C** (Anteil des gelartigen Ionomers, bezogen auf das gesamte Ionomer)	Gesamt I/C***
Beispiel 1	Pt: 45,0 Massen% Co: 2,3 Massen% Aktivierter Ruß	0,2 (28,6%)	0,5 (71,4%)	0,70
Beispiel 2	Pt: 45,0 Massen% Co: 2,3 Massen% Aktivierter Ruß	0,1 (14,3%)	0,6 (85,7%)	0,70

2. Auswertung der Katalysatortinte
Die Volumen-basierten Partikelgrößenverteilungen der Katalysatoren in den Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 und Beispiele 1 bis 3 wurden mittels Laserbeugungsstreuungs-Partikelgrößenverteilungs-Messverfahren („laser diffraction scattering particle size distribution measurement method“) gemessen.
5 stellt den Zusammenhang zwischen den Partikelgrößen und der Häufigkeit derselben für die Katalysatoren in den Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 dar, und 6 stellt Werte der Partikelgröße D90 in den Partikelgrößenverteilungen nach der Ultraschall-Dispersion und nach der FILMIX-Dispersion in den Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 dar.
Aus 5 und 6 ist ersichtlich, dass lediglich in Vergleichsbeispiel 1, unter den Katalysatortinten der Vergleichsbeispiele 1 bis 3, die Partikelgröße D90 als die Referenz von groben Partikeln kleiner als 3,0 µm wurde.
Außerdem wurde auch in Vergleichsbeispiel 4 D90 3,0 µm oder mehr (4,90 µm, 3,91 µm, und 3,56 µm (N = 3)).
Als nächstes stellt 7 den Zusammenhang zwischen den Partikelgrößen und der Häufigkeit derselben für die Katalysatoren in den Katalysatortinten des Vergleichsbeispiels 2 und des Beispiels 1 dar, und 8 stellt den Zusammenhang zwischen den Partikelgrößen und der Häufigkeit derselben für die Katalysatoren in den Katalysatortinten des Vergleichsbeispiels 3 und des Beispiels 2 dar. Man beachte, dass das I/C des lösungsartigen Ionomers und das I/C des gelartigen Ionomers in der Katalysatortinte des Vergleichsbeispiels 2 dieselben sind, wie jene des Beispiels 1. In ähnlicher Weise sind das I/C des lösungsartigen Ionomers und das I/C des gelartigen Ionomers in der Katalysatortinte des Vergleichsbeispiels 3 dieselben wie jene des Beispiels 2.
Aus 7 und 8 ist ersichtlich, dass sowohl in Beispiel 1 als auch in Beispiel 2 die Partikelgröße D90 als die Referenz von groben Partikeln kleiner als 3,0 µm wurde (Beispiel 1: 2,05 µm, Beispiel 2: 2,15 µm).
Außerdem war in Beispiel 3 D90 ebenfalls 1,90 µm.
Bezugszeichenliste

1: Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer
2: Rührbehälter
3: Ausgesparter Abschnitt auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters
4: Vorstehender Abschnitt auf der Innenumfangsfläche des Rührbehälters
5: Drehschieber
6: Welle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013031060 A1 [0005, 0013, 0014]
JP 2013158741 A [0006]
JP 2003036856 A [0042]
JP 2007125454 A [0066]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte für Brennstoffzellen-Elektroden, welche einen Katalysator, ein Lösungsmittel, und ein Ionomer enthält, wobei das Verfahren umfasst Rühren und Mischen des Katalysators, des Lösungsmittels, und des Ionomers mittels eines Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischers, wobei das Ionomer ein gelartiges Ionomer enthält, und wobei der Hochscher-Dünnfilm-Spin-Mischer einen zylindrischen Rührbehälter, einen Drehschieber, und eine Welle umfasst, wobei der zylindrische Rührbehälter Ungleichmäßigkeiten auf einer inneren Umfangsfläche desselben aufweist, der Drehschieber konzentrisch zum Rührbehälter ist und einen äußeren Durchmesser aufweist, welcher geringfügig kleiner als ein innerer Durchmesser des Rührbehälters ist, und die Welle den Drehschieber auf einem Endabschnitt derselben umfasst und bei einer hohen Geschwindigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung drehbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gelartige Ionomer eine hohe Sauerstoff-Permeabilität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ionomer ferner ein lösungsartiges Ionomer umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Katalysator einen Kohlenstoff umfasst, das Ionomer ferner ein lösungsartiges Ionomer umfasst, und ein Gehalt des lösungsartigen Ionomers von 0 Massenteile bis 20 Massenteile ist, wenn ein Gehalt des Kohlenstoffs im Katalysator als 100 Massenteile definiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, umfassend Auftragen einer Katalysatortinte für Brennstoffzellenelektroden, welche durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhalten wird, über einen Feststoffpolymerelektrolyten mittels eines Düsenbeschichtungsverfahrens, um eine Brennstoffzellenelektrode zu bilden.