DE102023203288A1

DE102023203288A1 - Kathodenkatalyseschichtstruktur einer membranelektrodenstruktur für eine brennstoffzelle und ihr herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102023203288A1
Application number: DE102023203288.0A
Authority: DE
Inventors: Xu Zhang; Bicheng Chen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2023-04-12
Publication date: 2023-10-19
Also published as: CN116960369A; US20230335755A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung stellt ein Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur einer Brennstoffzelle bereit. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Kathodenkatalyseschichtstruktur mit mindestens einer ersten Katalyseschicht und einer zweiten Katalyseschicht, wobei die zweite Katalyseschicht dazu verwendet ist, näher als die erste Katalyseschicht an der Protonenaustauschmembran der Membranelektrodenstruktur positioniert zu sein, und die erste Katalyseschicht aus einer ersten Aufschlämmung gebildet ist und die zweite Katalyseschicht aus einer zweiten Aufschlämmung gebildet ist. Das Verfahren umfasst das Auswählen der durchschnittlichen Teilchengröße, der spezifischen Oberfläche des Kohlenstoffträgers, des I/C-Verhältnisses und des Gewichtsprozentsatzes des Platinkatalysators am Gesamtgewicht eines Kohlenstoffträgers und eines Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung. Die vorliegende Anmeldung stellt ferner eine Kathodenkatalyseschichtstruktur bereit, die mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Gemäß der vorliegenden Anmeldung können bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur abgemildert werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft im Wesentlichen das Gebiet der Brennstoffzellen, konkret ein Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle sowie eine mittels dieses Verfahrens hergestellte Kathodenkatalyseschichtstruktur.
STAND DER TECHNIK
Brennstoffzellensysteme, die zur Stromerzeugung eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoff und Oxidationsmitteln nutzen, gewinnen bei der Bereitstellung von elektrischer Energie zunehmend an Bedeutung, insbesondere auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind weit verbreitete Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel nutzen. Die Membranelektrodenstruktur (MEA) einer PEMFC besteht aus einer Polymerelektrolytmembran (d. h. Protonenaustauschmembran), Katalyseschichten (CL) auf beiden Seiten der Membran und einer Diffusionsschicht (GDL). Die elektrochemische Reaktion der PEMFC erfolgt in der MEA und umfasst im Wesentlichen den Vorgang der Hydroxylierung (HOR) und den Vorgang der Sauerstoffreduktion (ORR). H₂ und O₂ werden jeweils über eine Anodendiffusionsschicht und eine Kathodendiffusionsschicht in eine Anodenkatalyseschicht und eine Kathodenkatalyseschicht transportiert. H₂ verliert in der Anodenkatalyseschicht durch Einwirken des Anodenkatalysators Elektronen und wird zu H⁺. H⁺ wird über die Protonenaustauschmembran auf die Kathodenseite transportiert und verbindet sich in der Kathodenkatalyseschicht durch Einwirken des Kathodenkatalysators mit O₂ zu H₂O. H₂O wird über die Diffusionsschicht in ein Strömungsfeld transportiert und anschließend aus der PEMFC ausgeschieden. Die Elektronen hingegen fließen über eine externe Schaltung zur Kathode und bilden einen elektrischen Strom.
Der ORR-Vorgang ist der Schlüssel zur elektrochemischen Reaktionsgeschwindigkeit der PEMFC. Die Kathodenkatalyseschicht dient als der Ort, an dem der ORR-Vorgang abläuft, und ihre Struktur und Zusammensetzung haben unmittelbaren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA und beeinflussen damit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der PEMFC. Daher besteht in der Branche stets ein Bedarf zur Anpassung der Struktur und Zusammensetzung der Kathodenkatalyseschicht, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA zu erhöhen.
INHALT DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung zielt darauf ab, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur einer Brennstoffzelle bereitzustellen, um durch eine Anpassung der Struktur und Zusammensetzung der Kathodenkatalyseschicht die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur einer Brennstoffzelle bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Bilden einer Kathodenkatalyseschichtstruktur mit mindestens einer ersten Katalyseschicht und einer zweiten Katalyseschicht umfasst, wobei die zweite Katalyseschicht dazu verwendet ist, näher als die erste Katalyseschicht an der Protonenaustauschmembran der Membranelektrodenstruktur positioniert zu sein, und die erste Katalyseschicht aus einer ersten Aufschlämmung gebildet ist und die zweite Katalyseschicht aus einer zweiten Aufschlämmung gebildet ist, wobei: (1) die erste durchschnittliche Teilchengröße des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung ist; (2) die erste spezifische Oberfläche des ersten Kohlenstoffträgers in der ersten Aufschlämmung größer oder gleich 200 m²/g ist, und die zweite spezifische Oberfläche des zweiten Kohlenstoffträgers in der zweiten Aufschlämmung kleiner oder gleich 200 m²/g ist; (3) das erste I/C-Verhältnis in der ersten Aufschlämmung größer als 0,9 ist, und das zweite I/C-Verhältnis in der zweiten Aufschlämmung kleiner oder gleich 0,9 ist; und (4) der erste Gewichtsprozentsatz des Gewichts des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des ersten Kohlenstoffträgers und des ersten Platinkatalysators größer oder gleich 40 % ist, und der zweite Gewichtsprozentsatz des Gewichts des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des zweiten Kohlenstoffträgers und des zweiten Platinkatalysators kleiner oder gleich 40 % ist.
In einigen Ausführungsformen liegen die erste Aufschlämmung und die zweite Aufschlämmung in mindestens einer der folgenden Formen vor: Die erste durchschnittliche Teilchengröße ist kleiner oder gleich 2 nm, und die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist größer oder gleich 2 nm; die erste spezifische Oberfläche liegt zwischen 800 m²/g und 1.000 m²/g, und die zweite spezifische Oberfläche liegt zwischen 100 m²/g und 200 m²/g; das erste I/C-Verhältnis ist größer als 0,9 und kleiner oder gleich 1,05, und das zweite I/C-Verhältnis ist gleich 0,9, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,8; der erste Gewichtsprozentsatz liegt zwischen 50 % und 60 %, und der zweite Gewichtsprozentsatz liegt zwischen 20 % und 40 %.
In einigen Ausführungsformen beträgt der erste Platinanteil der ersten Katalyseschicht mindestens das 1,5-fache des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht, und der Gesamtplatinanteil der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,6 mg/cm².
In einigen Ausführungsformen sind die Dicke der ersten Katalyseschicht und die Dicke der zweiten Katalyseschicht grundsätzlich identisch, und die Gesamtdicke der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht beträgt vorzugsweise 6 bis 15 µm.
In einigen Ausführungsformen ist der EW-Wert des ersten lonomers in der ersten Aufschlämmung größer als der EW-Wert des zweiten lonomers in der zweiten Aufschlämmung, und vorzugsweise liegt der EW-Wert des ersten lonomers zwischen 800 g/mol und 1.000 g/mol und der EW-Wert des zweiten lonomers zwischen 720 g/mol und 800 g/mol.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Bilden der Kathodenkatalyseschichtstruktur ferner das Bilden einer dritten Katalyseschicht zwischen der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht, und die dritte Katalyseschicht ist aus einer dritten Aufschlämmung gebildet, wobei: (1) die dritte durchschnittliche Teilchengröße des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung größer als die erste durchschnittliche Teilchengröße und kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist; (2) die dritte spezifische Oberfläche des dritten Kohlenstoffträgers in der dritten Aufschlämmung größer als die zweite spezifische Oberfläche und größer oder gleich der ersten spezifischen Oberfläche ist; (3) das dritte I/C-Verhältnis in der dritten Aufschlämmung größer als das zweite I/C-Verhältnis und kleiner als das erste I/C-Verhältnis ist; (4) der dritte Gewichtsprozentsatz des Gewichts des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des dritten Kohlenstoffträgers und des dritten Platinkatalysators größer oder gleich 40 % ist; und (5) der dritte Platinanteil der dritten Katalyseschicht mindestens das Doppelte des ersten Platinanteils der ersten Katalyseschicht und mindestens das Doppelte des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht beträgt.
In einigen Ausführungsformen liegen die erste Aufschlämmung, die zweite Aufschlämmung und die dritte Aufschlämmung in mindestens einer der folgenden Formen vor: Die erste durchschnittliche Teilchengröße ist kleiner als 2 nm, die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist größer als 4 nm, und die dritte durchschnittliche Teilchengröße liegt zwischen 2 nm und 4 nm; die erste spezifische Oberfläche liegt zwischen 200 m²/g und 800 m²/g, die zweite spezifische Oberfläche liegt zwischen 100 m²/g und 200 m²/g, und die dritte spezifische Oberfläche liegt zwischen 800 m²/g und 1.000 m²/g; das erste I/C-Verhältnis ist größer als 0,9 und kleiner oder gleich 1,05, das zweite I/C-Verhältnis ist kleiner oder gleich 0,8, und das dritte I/C-Verhältnis ist gleich 0,9; der EW-Wert des ersten lonomers in der ersten Aufschlämmung ist größer als der EW-Wert des zweiten lonomers in der zweiten Aufschlämmung und größer als der EW-Wert des dritten lonomers in der dritten Aufschlämmung, und vorzugsweise liegt der EW-Wert des ersten lonomers zwischen 800 g/mol und 1.000 g/mol, der EW-Wert des zweiten lonomers liegt zwischen 720 g/mol und 800 g/mol und der EW-Wert des dritten lonomers liegt zwischen 720 g/mol und 800 g/mol.
In einigen Ausführungsformen beträgt der Gesamtplatinanteil der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht 0,1 bis 0,6 mg/cm².
In einigen Ausführungsformen sind die Dicken der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht grundsätzlich identisch, und die Gesamtdicke der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht beträgt vorzugsweise 6 bis 15 µm.
In einigen Ausführungsformen sind der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator jeweils aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Reinplatinkatalysatoren und Platinlegierungskatalysatoren besteht, und der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator sind vorzugsweise identische Katalysatoren.
In einigen Ausführungsformen ist die Kathodenkatalyseschichtstruktur durch ein Umdruckverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Bürstenbeschichtungsverfahren, Tintendruckverfahren oder Schlitzdüsenbeschichtungsverfahren gebildet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird eine Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei die Kathodenkatalyseschichtstruktur mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt ist.
Das Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Anmeldung kann bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur abmildern, um wirksam die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA zu erhöhen.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden können die oben beschriebenen und weitere Aspekte der vorliegenden Anmeldung anhand von Figuren noch eingehender verstanden und kennengelernt werden. Es ist zu beachten, dass die Figuren nur schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Von den Figuren:

zeigt 1 schematisch eine Batterieeinheit eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, und die Kathodenkatalyseschichtstruktur, die gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur einer Brennstoffzelle nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt ist, kann in dieser Batterieeinheit verwendet sein;
zeigt 2 schematisch eine Kathodenkatalyseschichtstruktur, die gemäß dem Herstellungsverfahren einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt ist; und
3 zeigt schematisch eine weitere Kathodenkatalyseschichtstruktur, die gemäß dem Herstellungsverfahren einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt ist.

KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen nach der vorliegenden Anmeldung anhand von Beispielen im Detail beschrieben. Fachleute auf dem Gebiet sollten verstehen, dass diese Ausführungsformen nur beispielhaft sind und keinerlei Einschränkung der vorliegenden Anmeldung bedeuten. Außerdem können die Merkmale der Ausführungsformen nach der vorliegenden Anmeldung miteinander kombiniert sein, vorausgesetzt es bestehen keine Konflikte. In den Figuren wurden zur Vereinfachung weitere Bauteile weggelassen, aber dies bedeutet nicht, dass die Batterieeinheit und die Kathodenkatalyseschichtstruktur nach der vorliegenden Anmeldung keine weiteren Strukturen und/oder Bauteile umfassen dürfen. Es sollte verstanden werden, dass die Abmessungen und Maßstabsbeziehungen der einzelnen Bauteile sowie die Anzahl der Bauteile in den Figuren keine Einschränkung der vorliegenden Anmeldung darstellen.
Ein Brennstoffzellensystem kann in einem Fahrzeug zum Bereitstellen von elektrischer Energie eingesetzt sein, durch die der Elektromotor des Fahrzeugs angetrieben wird, um Bewegungsenergie bereitzustellen, oder durch die verschiedene Funktionen des Bordsystems ausgeführt werden. 1 zeigt schematisch eine Batterieeinheit 100 eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, wobei die beispielhafte Brennstoffzelle eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist und ihr Stapel aus mehreren geschichteten Batterieeinheiten 100 gebildet ist. Wie im Folgenden detailliert beschrieben wird, kann die Kathodenkatalyseschichtstruktur, die gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur einer Brennstoffzelle nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt ist, in dieser Batterieeinheit 100 verwendet sein.
Wie in 1 gezeigt, besteht eine Batterieeinheit 100 gewöhnlich aus einer Kathodenplatte 101, einer Anodenplatte 103, einer Protonenaustauschmembran 105, einer Kathodendiffusionsschicht 107 und einer Kathodenkatalyseschichtstruktur 109 zwischen der Anodenplatte 101 und der Protonenaustauschmembran 105 sowie einer Anodendiffusionsschicht 111 und einer Anodenkatalyseschichtstruktur 113 zwischen der Anodenplatte 103 und der Protonenaustauschmembran 105. Die Kathodendiffusionsschicht 107, die Kathodenkatalyseschichtstruktur 109, die Anodendiffusionsschicht 111, die Anodenkatalyseschichtstruktur 113 und die Protonenaustauschmembran 105 sind gewöhnlich als eine Einheit gefertigt, die als Membranelektrodenstruktur (MEA) bezeichnet wird. Die Kathodendiffusionsschicht 107 und die Anodendiffusionsschicht 111 dienen jeweils der Abstützung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 109 und der Anodenkatalyseschichtstruktur 113 und transportieren Reaktionsgase und -produkte (Wasserstoff, Sauerstoff/Luft, Wasser). An der Kathodenplatte 101 und der Anodenplatte 103 bilden sich jeweils ein Kathodenströmungsfeld (nicht dargestellt) und ein Anodenströmungsfeld (ebenfalls nicht dargestellt). Die Kathodenströmungsfelder der Kathodenplatten 101 mehrerer Batterieeinheiten 100 bilden den Kathodenkanal (nicht dargestellt) des Stapels 101, und die Anodenströmungsfelder der Anodenplatten 103 mehrerer Batterieeinheiten 100 bilden den Anodenkanal (ebenfalls nicht dargestellt) des Stapels 101.
Die elektrochemische Reaktion der PEMFC erfolgt in der MEA und umfasst im Wesentlichen den Vorgang der Hydroxylierung (HOR) und den Vorgang der Sauerstoffreduktion (ORR). H₂ und O₂ werden jeweils über die Anodendiffusionsschicht 111 und die Kathodendiffusionsschicht 107 in die Anodenkatalyseschichtstruktur 113 und die Kathodenkatalyseschichtstruktur 109 transportiert. H₂ verliert in der Anodenkatalyseschichtstruktur 113 durch Einwirken des Anodenkatalysators Elektronen und wird zu H⁺. H⁺ wird über die Protonenaustauschmembran 105 auf die Kathodenseite transportiert und verbindet sich in der Kathodenkatalyseschichtstruktur 109 durch Einwirken des Kathodenkatalysators mit O₂ zu H₂O. Das H₂O wird über die Kathodendiffusionsschicht 107 und die Anodendiffusionsschicht 111 in das Kathodenströmungsfeld und das Anodenströmungsfeld transportiert und anschließend über den Kathodenkanal und den Anodenkanal aus der PEMFC ausgeschieden. Die Elektronen hingegen fließen über eine externe Schaltung (nicht dargestellt) zur Kathode und bilden einen elektrischen Strom.
Wie vorstehend beschrieben, ist der ORR-Vorgang der Schlüssel zur elektrochemischen Reaktionsgeschwindigkeit der PEMFC. Die Kathodenkatalyseschichtstruktur 109 dient als der Ort, an dem der ORR-Vorgang abläuft, und ihre Struktur und Zusammensetzung haben unmittelbaren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA und beeinflussen damit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der PEMFC. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA bringen die Erfinder ein verbessertes Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur für die MEA hervor. Im Folgenden wird diese Art von Herstellungsverfahren anhand von 2 und 3 detailliert beschrieben.
2 zeigt schematisch eine Kathodenkatalyseschichtstruktur 200, die gemäß dem Herstellungsverfahren einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt ist. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 eine erste Katalyseschicht 201 und eine zweite Katalyseschicht 202. Die erste Katalyseschicht 201 grenzt an die zweite Katalyseschicht 202 an, und die zweite Katalyseschicht 202 grenzt an die Protonenaustauschmembran 105 an. Mit anderen Worten ist die zweite Katalyseschicht 202 näher als die erste Katalyseschicht 201 an der Protonenaustauschmembran 105 der MEA positioniert. Das Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 umfasst das Bilden einer Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 mit einer ersten Katalyseschicht 201 und einer zweiten Katalyseschicht 202, wobei die erste Katalyseschicht 201 aus einer ersten Aufschlämmung gebildet ist und die zweite Katalyseschicht 202 aus einer zweiten Aufschlämmung gebildet ist.
Wie im Folgenden detailliert beschrieben wird, passen die Erfinder die Eigenschaften der ersten Katalyseschicht 201 und der zweiten Katalyseschicht 202 durch Einstellen verschiedener Parameter der ersten Aufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung an, um bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 abzumildern, um wirksam die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA zu erhöhen. Andernfalls führen die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 und der MEA.
Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet und auf dem Gebiet bekannt, kann die Aufschlämmung auch als „Katalysatoraufschlämmung“ oder „Katalysatortinte“ bezeichnet werden. Diese wird erhalten, indem ein Katalysator in einem bestimmten Lösungsmittel verteilt und die Aufschlämmung mittels einer Einrichtung zur homogenen Dispersion homogenisiert ist. Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet, bezeichnet „spezifische Oberfläche“ die Gesamtfläche eines Materials pro Masseneinheit mit der Einheit m²/g. Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet, bezeichnet „I/C-Verhältnis“ das Massenverhältnis zwischen lonomer und Kohlenstoff. Es sollte verstanden werden, dass das lonomer beispielsweise Nafion-Harz ist. Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet, bezeichnet „EW-Wert des lonomers“ das zum Bereitstellen von 1 Mol austauschbarer Protonen benötigte Polymergewicht mit der Einheit g/mol. Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet, bezeichnet „Platinanteil“ die Verwendungsmenge von Platin auf einer Flächeneinheit mit der Einheit mg/cm². Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet, bezeichnet „elektrochemisch aktive Fläche (ECSA)“ die Wirkfläche, auf der tatsächlich die elektrochemische Reaktion stattfindet, mit der Einheit m²/g.
Ausführungsform 1:
In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren können die erste Aufschlämmung und die zweite Aufschlämmung so konfiguriert sein, dass sie die folgenden charakteristischen Parameter aufweisen: (1) Die erste durchschnittliche Teilchengröße des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung ist kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung; (2) die erste spezifische Oberfläche des ersten Kohlenstoffträgers in der ersten Aufschlämmung ist größer oder gleich 200 m²/g (beispielsweise ist der erste Kohlenstoffträger ein herkömmlicher Kohlenstoff wie Vulcan® XC72), und die zweite spezifische Oberfläche des zweiten Kohlenstoffträgers in der zweiten Aufschlämmung ist beispielsweise kleiner oder gleich 200 m²/g (beispielsweise ist der zweite Kohlenstoffträger grafitierter Kohlenstoff); (3) das erste I/C-Verhältnis in der ersten Aufschlämmung ist größer als 0,9, und das zweite I/C-Verhältnis in der zweiten Aufschlämmung ist kleiner oder gleich 0,9; und (4) der erste Gewichtsprozentsatz des Gewichts des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des ersten Kohlenstoffträgers und des ersten Platinkatalysators ist größer oder gleich 40 %, und der zweite Gewichtsprozentsatz des Gewichts des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des zweiten Kohlenstoffträgers und des zweiten Platinkatalysators ist kleiner oder gleich 40 %.
Im Vergleich zu einem Herstellungsverfahren, bei dem nur ein oder einige charakteristische Parameter der oben beschriebenen charakteristischen Parameter angepasst sind, können die erste Katalyseschicht 201 und die zweite Katalyseschicht 202, die aus einer ersten Aufschlämmung und einer zweiten Aufschlämmung mit einer Kombination aus den obigen charakteristischen Parametern (1) bis (4) gebildet sind, bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur abmildern.
Konkret gesagt ist bei einer Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 mit zwei Katalyseschichten die zweite Katalyseschicht 202 näher als die erste Katalyseschicht 201 an der Protonenaustauschmembran 105 der MEA positioniert. Während die elektrochemische Reaktion stattfindet, ist im Vergleich zu der zweiten Katalyseschicht 202 der Transportweg des Sauerstoffs vom Kathodenkanal zu der ersten Katalyseschicht 201 kürzer, weshalb die erste Katalyseschicht 201 leichter ausreichenden Sauerstoff erhält. Im Vergleich zu der zweiten Katalyseschicht 202 ist jedoch der Protonenleitweg von der Protonenaustauschmembran 105 zu der ersten Katalyseschicht 201 länger, wodurch die Protonenmenge, die die erste Katalyseschicht 201 erhalten kann, eingeschränkt ist. Außerdem ist im Vergleich zu der ersten Katalyseschicht 201 das Ausmaß der Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und der Kohlenstoffträgerkorrosion auf der zweiten Katalyseschicht 202 stärker. Dadurch, dass die erste Katalyseschicht 201 und die zweite Katalyseschicht 202 aus der vorstehend beschriebenen ersten Aufschlämmung und zweiten Aufschlämmung gebildet sind, kann der ersten Katalyseschicht 201 eine bessere Sauerstofftransportkapazität und eine größere ECSA bereitgestellt sein und der zweiten Katalyseschicht 202 eine bessere Protonenleitfähigkeit und Fähigkeit zur Unterdrückung von Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und Kohlenstoffträgerkorrosion bereitgestellt sein. Dadurch werden bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 abgemildert. Dadurch können die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA erhöht und somit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der PEMFC erhöht werden.
Daher umfasst das Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Anmeldung das Bilden der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 mit der ersten Katalyseschicht 201 und der zweiten Katalyseschicht 202, und die zweite Katalyseschicht 202 ist verwendet, um näher als die erste Katalyseschicht 201 an der Protonenaustauschmembran 105 der MEA positioniert zu sein. Die erste Katalyseschicht 201 ist aus der vorstehend beschriebenen ersten Aufschlämmung gebildet, und die zweite Katalyseschicht 202 ist aus der vorstehend beschriebenen zweiten Aufschlämmung gebildet.

Tabelle 1 zeigt eine beispielhafte Umsetzung von Ausführungsform 1. Tabelle 1

Parameter der Aufschlämmung	durchschnittliche Teilchengröße (nm)	spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträgers (m²/g)	I/C-Verhältnis	Gewichtsprozentsatz (%)
erste Aufschlämmung	≤ 2	≥ 200	> 0,9	≥ 40
zweite Aufschlämmung	≥ 2	≤ 200	≤ 0,9	≤ 40

In den in Tabelle 1 gezeigten beispielhaften Umsetzungen ist die erste durchschnittliche Teilchengröße des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung. Die erste durchschnittliche Teilchengröße ist kleiner oder gleich 2 nm, und die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist größer oder gleich 2 nm. Vorzugsweise ist die erste durchschnittliche Teilchengröße 2 nm und die zweite durchschnittliche Teilchengröße 3 nm, 4 nm, 5 nm oder ein beliebiger Wert zwischen diesen.
Die erste spezifische Oberfläche des ersten Kohlenstoffträgers in der ersten Aufschlämmung ist größer oder gleich 200 m²/g, und die zweite spezifische Oberfläche des zweiten Kohlenstoffträgers in der zweiten Aufschlämmung ist kleiner oder gleich 200 m²/g. Beispielsweise kann die erste spezifische Oberfläche größer als die zweite spezifische Oberfläche sein. Vorzugsweise liegt die erste spezifische Oberfläche zwischen 800 m²/g und 1.000 m²/g und die zweite spezifische Oberfläche zwischen 100 m²/g und 200 m²/g.
Das erste I/C-Verhältnis in der ersten Aufschlämmung ist größer als 0,9, und das zweite I/C-Verhältnis in der zweiten Aufschlämmung ist kleiner oder gleich 0,9. Vorzugsweise ist das erste I/C-Verhältnis größer als 0,9 und kleiner oder gleich 1,05 und das zweite I/C-Verhältnis gleich 0,9. Noch bevorzugter ist das zweite I/C-Verhältnis kleiner oder gleich 0,8.
Der erste Gewichtsprozentsatz des Gewichts des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des ersten Kohlenstoffträgers und des ersten Platinkatalysators ist größer oder gleich 40 %, und der zweite Gewichtsprozentsatz des Gewichts des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des zweiten Kohlenstoffträgers und des zweiten Platinkatalysators ist kleiner oder gleich 40 %. Beispielsweise kann der erste Gewichtsprozentsatz größer als der zweite Gewichtsprozentsatz sein. Vorzugsweise liegt der erste Gewichtsprozentsatz zwischen 50 % und 60 % und der zweite Gewichtsprozentsatz zwischen 20 % und 40 %. Besonders bevorzugt ist der erste Gewichtsprozentsatz 50 %, 55 % oder 60 %. Noch bevorzugter ist der zweite Gewichtsprozentsatz 20 %, 30 % oder 40 %.

In einem ergänzenden Beispiel können die erste Aufschlämmung und die zweite Aufschlämmung ferner so konfiguriert sein, dass sie zusätzlich die folgenden charakteristischen Parameter aufweisen: Der EW-Wert des ersten lonomers in der ersten Aufschlämmung ist größer als der EW-Wert des zweiten lonomers in der zweiten Aufschlämmung. Mit diesem Verfahren kann in der ersten Katalyseschicht 201 eine gute Protonenleitung gewährleistet sein, und in der zweiten Katalyseschicht 202 kann gleichzeitig eine gute Protonenleitung und ein guter Sauerstofftransport gewährleistet sein. Tabelle 2 zeigt eine beispielhafte Umsetzung dieses Beispiels. Tabelle 2

Parameter der Aufschlämmun g	durchschnittlich e Teilchengröße (nm)	spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträge rs (m²/g)	I/C-Verhältnis	Gewichtsprozent satz (%)	lonomer-EW-Wert g/mol
erste Aufschlämmun g	≤ 2	≥ 200	> 0,9	≥ 40	≥ 800
zweite Aufschlämmun g	≥ 2	≤ 200	≤ 0,9	≤ 40	≤ 800

Vorzugsweise liegt der EW-Wert des ersten lonomers zwischen 800 g/mol und 1.000 g/mol und der EW-Wert des zweiten lonomers zwischen 720 g/mol und 800 g/mol.
Außerdem kann in einem weiteren ergänzenden Beispiel der erste Platinanteil der ersten Katalyseschicht auf mindestens das 1,5-fache des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht eingestellt sein. Durch das Bereitstellen eines derartigen Platinanteilgradienten kann in der ersten Katalyseschicht 201 eine größere ECSA bereitgestellt sein. Vorzugsweise beträgt der Gesamtplatinanteil der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht 0,1 bis 0,6 mg/cm².
Außerdem können die Dicke der ersten Katalyseschicht 201 und die Dicke der zweiten Katalyseschicht 202 grundsätzlich identisch sein. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke der ersten Katalyseschicht 201 und der zweiten Katalyseschicht 202 zwischen 6 und 15 µm.
Vergleichsbeispiel 1:

Kathodenkatalyseschichtstruktur, die aus der in Tabelle 3 gezeigten Aufschlämmung gebildet ist. Es sollte verstanden werden, dass als Vergleichsbeispiel alle nicht aufgeführten übrigen Parameter der Kathodenkatalyseschichtstruktur mit den Parametern der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200, die aus den in Tabelle 1 gezeigten Aufschlämmungen gebildet ist, übereinstimmen. Tabelle 3

Parameter der Aufschlämmung	durchschnittlich e Teilchengröße (nm)	spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträger s (m²/g)	I/C-Verhältni s	Gewichtsprozentsa tz (%)
Vergleichsaufschlämmu ng	3	800	0,9	40

Bei einer beschleunigten Alterungsprüfung wird an die Kathode eine dynamische Spannung von 0,6 bis 0,95 V angelegt und die Rechteckwelle abgetastet, wobei die Zykluszeit 2 s und die Gesamtzykluszahl 30.000 Zyklen beträgt. Nach 30.000 Zyklen ist die ECSA-Reduzierung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200, die aus der in Tabelle 1 gezeigten Aufschlämmung gebildet ist, kleiner als 30 %, während diese bei der Kathodenkatalyseschichtstruktur im Vergleichsbeispiel 1 bei über 40 % liegt. Daraus ist ersichtlich, dass die Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel eine höhere Alterungsbeständigkeit und eine längere Gebrauchslebensdauer aufweist. Die mittels des Herstellungsverfahrens nach der vorliegenden Anmeldung hergestellte Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 kann bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur abmildern.
3 zeigt schematisch eine weitere Kathodenkatalyseschichtstruktur 300, die gemäß dem Herstellungsverfahren einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt ist. Wie in 3 gezeigt, umfasst die Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 eine erste Katalyseschicht 301, eine zweite Katalyseschicht 302 sowie eine dritte Katalyseschicht 303 zwischen der ersten Katalyseschicht 301 und der zweiten Katalyseschicht 302. Die erste Katalyseschicht 301 grenzt an die dritte Katalyseschicht 303 an, die dritte Katalyseschicht 303 grenzt an die zweite Katalyseschicht 302 an, und die zweite Katalyseschicht 302 grenzt an die Protonenaustauschmembran 105 an. Mit anderen Worten ist die zweite Katalyseschicht 302 näher als die dritte Katalyseschicht 303 an der Protonenaustauschmembran 105 der MEA positioniert. und die dritte Katalyseschicht 303 ist näher als die erste Katalyseschicht 301 an der Protonenaustauschmembran 105 der MEA positioniert.
Der Unterschied des Verfahrens zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 zum vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 besteht darin, dass das Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 ferner die zwischen der ersten Katalyseschicht 301 und der zweiten Katalyseschicht 302 gebildete dritte Katalyseschicht 303 umfasst und die dritte Katalyseschicht 303 aus der dritten Aufschlämmung gebildet ist. Wie im Folgenden detailliert beschrieben wird, passen die Erfinder die Eigenschaften der ersten Katalyseschicht 301, der zweiten Katalyseschicht 302 und der dritten Katalyseschicht 303 durch Einstellen verschiedener Parameter der ersten Aufschlämmung, der zweiten Aufschlämmung und der dritten Aufschlämmung an, um bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 abzumildern, um wirksam die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA zu erhöhen. Andernfalls führen die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300.
Ausführungsform 2:
Der Unterschied zwischen der Ausführungsform 2 und der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 1 besteht darin, dass beim Herstellungsverfahren der Ausführungsform 2 die erste Aufschlämmung, die zweite Aufschlämmung und die dritte Aufschlämmung so eingestellt sein können, dass die erste Aufschlämmung, die zweite Aufschlämmung und die dritte Aufschlämmung sowie die erste Katalyseschicht 301, die zweite Katalyseschicht 302 und die dritte Katalyseschicht 303 die folgenden charakteristischen Parameter aufweisen: (1) Die dritte durchschnittliche Teilchengröße des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung ist größer als die erste durchschnittliche Teilchengröße und kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße; (2) die dritte spezifische Oberfläche des dritten Kohlenstoffträgers in der dritten Aufschlämmung ist größer als die zweite spezifische Oberfläche und größer oder gleich der ersten spezifischen Oberfläche (beispielsweise kann die dritte spezifische Oberfläche größer als die erste spezifische Oberfläche sein); (3) das dritte I/C-Verhältnis in der dritten Aufschlämmung ist größer als das zweite I/C-Verhältnis und kleiner als das erste I/C-Verhältnis; (4) der dritte Gewichtsprozentsatz des Gewichts des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des dritten Kohlenstoffträgers und des dritten Platinkatalysators ist größer oder gleich 40 %; und (5) der dritte Platinanteil der dritten Katalyseschicht 303 beträgt mindestens das Doppelte des ersten Platinanteils der ersten Katalyseschicht 301 und mindestens das Doppelte des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht 302.
Im Vergleich zu einem Herstellungsverfahren, bei dem nur ein oder einige charakteristische Parameter der oben beschriebenen charakteristischen Parameter angepasst sind, können die erste Katalyseschicht 301, die zweite Katalyseschicht 302 und die dritte Katalyseschicht 303, die aus einer ersten Aufschlämmung, einer zweiten Aufschlämmung und einer dritten Aufschlämmung mit einer Kombination aus den obigen charakteristischen Parametern (1) bis (5) gebildet sind, bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 abmildern.
Konkret gesagt ist bei einer Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 mit drei Katalyseschichten die zweite Katalyseschicht 302 näher als die erste Katalyseschicht 301 und die dritte Katalyseschicht 303 an der Protonenaustauschmembran 105 der MEA positioniert, und die erste Katalyseschicht 301 ist näher als die zweite Katalyseschicht 302 und die dritte Katalyseschicht 303 an der Kathodendiffusionsschicht (nicht in 3 dargestellt) positioniert. Während die elektrochemische Reaktion stattfindet, ist im Vergleich zu der zweiten Katalyseschicht 302 und der dritten Katalyseschicht 303 der Transportweg des Sauerstoffs vom Kathodenkanal zu der ersten Katalyseschicht 301 kürzer, weshalb die erste Katalyseschicht 301 leichter ausreichenden Sauerstoff erhält. Im Vergleich zu der zweiten Katalyseschicht 302 und der dritten Katalyseschicht 303 ist jedoch der Protonenleitweg von der Protonenaustauschmembran 105 zu der ersten Katalyseschicht 301 länger, wodurch die Protonenmenge, die die erste Katalyseschicht 301 erhalten kann, eingeschränkt ist. Außerdem ist im Vergleich zu der ersten Katalyseschicht 301 und der dritten Katalyseschicht 303 das Ausmaß der Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und der Kohlenstoffträgerkorrosion auf der zweiten Katalyseschicht 302 stärker. Dadurch, dass die erste Katalyseschicht 301, die zweite Katalyseschicht 302 und die dritte Katalyseschicht 303 aus der vorstehend beschriebenen ersten Aufschlämmung, zweiten Aufschlämmung und dritten Aufschlämmung gebildet sind, kann der ersten Katalyseschicht 301 eine bessere Sauerstofftransportkapazität und eine vergleichsweise größere ECSA bereitgestellt sein, der zweiten Katalyseschicht 302 eine bessere Protonenleitfähigkeit und Fähigkeit zur Unterdrückung von Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und Kohlenstoffträgerkorrosion bereitgestellt sein und die ECSA der dritten Katalyseschicht 303 maximiert sein. Dadurch werden bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 abgemildert. Dadurch können die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der MEA erhöht und somit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der PEMFC erhöht werden.

Tabelle 4 zeigt eine beispielhafte Umsetzung der Ausführungsform 2. Tabelle 4

Parameter der Aufschlämmun g	durchschnittlich e Teilchengröße (nm)	spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträger s (m²/g)	I/C-Verhältni s	Gewichtsprozentsa tz (%)	Platinanteil in der entsprechenden Katalyseschicht (relativ zum durchschnittlichen Platinanteil x von drei Schichten)
erste Aufschlämmun g	≤ 2	≥ 200	> 0,9	> 50	≤ 0,75x
dritte Aufschlämmun g	2-4	≥ 800	0,9	≥ 40	≥ 1,5x
zweite Aufschlämmun g	> 4	≤ 200	≤ 0,9	≤ 40	≤ 0,75x

In den in Tabelle 4 gezeigten beispielhaften Umsetzungen ist die dritte durchschnittliche Teilchengröße des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung größer als die erste durchschnittliche Teilchengröße des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung und kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung. Vorzugsweise ist die erste durchschnittliche Teilchengröße kleiner als 2 nm, die zweite durchschnittliche Teilchengröße größer als 4 nm und die dritte durchschnittliche Teilchengröße liegt zwischen 2 nm und 4 nm.
Die dritte spezifische Oberfläche des dritten Kohlenstoffträgers in der dritten Aufschlämmung ist größer als die zweite spezifische Oberfläche des zweiten Kohlenstoffträgers in der zweiten Aufschlämmung und größer oder gleich der ersten spezifischen Oberfläche des ersten Kohlenstoffträgers in der ersten Aufschlämmung. Vorzugsweise liegt die erste spezifische Oberfläche zwischen 200 m²/g und 800 m²/g, die zweite spezifische Oberfläche zwischen 100 m²/g und 200 m²/g und die dritte spezifische Oberfläche zwischen 800 m²/g und 1.000 m²/g.
Das dritte I/C-Verhältnis in der dritten Aufschlämmung ist größer als das zweite I/C-Verhältnis in der zweiten Aufschlämmung und kleiner als das erste I/C-Verhältnis in der ersten Aufschlämmung. Vorzugsweise ist das erste I/C-Verhältnis größer als 0,9 und kleiner oder gleich 1,05, das zweite I/C-Verhältnis kleiner oder gleich 0,8 und das dritte I/C-Verhältnis gleich 0,9.
Der dritte Platinanteil der dritten Katalyseschicht beträgt mindestens das Doppelte des ersten Platinanteils der ersten Katalyseschicht und mindestens das Doppelte des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht. Beim Bereitstellen eines derartigen Platinanteilgradienten kann in der dritten Katalyseschicht 303 eine maximale ECSA bereitgestellt sein, sodass sich der Hauptreaktionsbereich in der dritten Katalyseschicht 303 befindet. Vorzugsweise beträgt der Gesamtplatinanteil der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht 0,1 bis 0,6 mg/cm².
In einem ergänzenden Beispiel können die erste Aufschlämmung, die zweite Aufschlämmung und die dritte Aufschlämmung ferner so konfiguriert sein, dass sie zusätzlich die folgenden charakteristischen Parameter aufweisen: Der EW-Wert des ersten lonomers in der ersten Aufschlämmung ist größer als der EW-Wert des zweiten lonomers in der zweiten Aufschlämmung und größer als der EW-Wert des dritten lonomers in der dritten Aufschlämmung, und vorzugsweise liegt der EW-Wert des ersten lonomers zwischen 800 g/mol und 1.000 g/mol, der EW-Wert des zweiten lonomers liegt zwischen 720 g/mol und 800 g/mol und der EW-Wert des dritten lonomers liegt zwischen 720 g/mol und 800 g/mol. Mit diesem Verfahren kann in der ersten Katalyseschicht 301 und der dritten Katalyseschicht 303 eine gute Protonenleitung gewährleistet sein, und in der zweiten Katalyseschicht 302 kann gleichzeitig eine gute Protonenleitung und ein guter Sauerstofftransport gewährleistet sein.
Außerdem sind die Dicken der ersten Katalyseschicht 301, der zweiten Katalyseschicht 302 und der dritten Katalyseschicht 303 jeweils grundsätzlich identisch. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke der ersten Katalyseschicht 301, der zweiten Katalyseschicht 302 und der dritten Katalyseschicht 303 6 bis 15 µm.
Vergleichsbeispiel 2:

Kathodenkatalyseschichtstruktur, die aus der in Tabelle 5 gezeigten Aufschlämmung gebildet ist. Es sollte verstanden werden, dass als Vergleichsbeispiel alle nicht aufgeführten übrigen Parameter der Kathodenkatalyseschichtstruktur mit den Parametern der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300, die aus den in Tabelle 4 gezeigten Aufschlämmungen gebildet ist, übereinstimmen. Tabelle 5

Parameter der Aufschlämmung	durchschnittlich e Teilchengröße (nm)	spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträge rs (m²/g)	I/C-Verhältni s	Gewichtsprozentsa tz (%)	Platinanteil in der entsprechenden Katalyseschicht
Vergleichsaufschlämmu ng	3	800	0,9	40	kein Gradient

Bei einer beschleunigten Alterungsprüfung wird an die Kathode eine dynamische Spannung von 0,6 bis 0,95 V angelegt und die Rechteckwelle abgetastet, wobei die Zykluszeit 2 s und die Gesamtzykluszahl 30.000 Zyklen beträgt. Nach 30.000 Zyklen ist die ECSA-Reduzierung der Kathodenkatalyseschichtstruktur 300, die aus den in Tabelle 4 gezeigten Aufschlämmungen gebildet ist, kleiner als 30 %, während diese bei der Kathodenkatalyseschichtstruktur im Vergleichsbeispiel 2 bei über 40 % liegt. Daraus ist ersichtlich, dass die Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel eine höhere Alterungsbeständigkeit und eine längere Gebrauchslebensdauer aufweist. Die mittels des Herstellungsverfahrens nach der vorliegenden Anmeldung hergestellte Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 kann bei gleichzeitiger Maximierung von Protonenleitfähigkeit, Sauerstofftransportkapazität und ECSA der gesamten Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 wirksam die Platinkatalysator-Teilchenagglomeration und die Kohlenstoffträgerkorrosion in der Kathodenkatalyseschichtstruktur abmildern.
Wie vorstehend beschrieben, sind der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator jeweils aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Reinplatinkatalysatoren und Platinlegierungskatalysatoren besteht. Der Platinlegierungskatalysator ist ein PtM-Katalysator, wobei M ein Übergangselement des dritten Zyklus (Ni, Co, Cr, Mn, Fe) ist. Vorzugsweise sind der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator identische Platinkatalysatoren. Es sollte jedoch verstanden werden, dass der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator auch unterschiedliche Platinkatalysatoren sein können.
Die Kathodenkatalyseschichtstruktur 200 und die Kathodenkatalyseschichtstruktur 300 können unter Verwendung der entsprechenden vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen durch ein Umdruckverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Bürstenbeschichtungsverfahren, Tintendruckverfahren oder Schlitzdüsenbeschichtungsverfahren gebildet sein. Im Umdruckverfahren ist auf einer Substratmembran eine Kathodenkatalyseschichtstruktur hergestellt, anschließend ist die Substratmembran mit der Kathodenkatalyseschichtstruktur und eine Protonenaustauschmembran warmgepresst, um die Kathodenkatalyseschichtstruktur von der Substratmembran auf die Protonenaustauschmembran zu übertragen. Das Rakelbeschichtungsverfahren bezeichnet ein Verfahren, in dem die MEA mittels der Rakeltechnik hergestellt ist, d. h. mit einer Rakel ist die überflüssige Aufschlämmung mit einem festgelegten Abstand abgekratzt, sodass sich eine Kathodenkatalyseschicht mit einer vorgegebenen Dicke ergibt. Beispielsweise können mittels des direkten Rakelbeschichtungsverfahrens die vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen in Schichten direkt auf die Protonenaustauschmembran 105 aufgetragen sein. Im Sprühbeschichtungsverfahren ist die vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen direkt auf die Protonenaustauschmembran 105 aufgesprüht. Im Bürstenbeschichtungsverfahren ist die vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen mit einer Bürste auf die Protonenaustauschmembran 105 aufgetragen. Im Tintendruckverfahren ist die vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen mittels einer Tintendruckeinrichtung beispielsweise auf die Protonenaustauschmembran 105 aufgetragen. Im Schlitzdüsenbeschichtungsverfahren ist die vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen über zwei oder mehr Schlitzdüsen gleichzeitig und in Schichten auf die Protonenaustauschmembran 105 aufgetragen, um eine Kathodenkatalyseschichtstruktur zu bilden. Es sollte verstanden werden, dass in den vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen außer den vorstehend beschriebenen charakteristischen Parametern weitere Parameter oder die Bestandteile angepasst werden können, sodass die Aufschlämmungen geeignet sind, mittels dieser Verfahren eine Kathodenkatalyseschichtstruktur zu bilden.
Es sollte verstanden werden, dass die vorstehend beschriebenen Aufschlämmungen außer Platinkatalysatoren, Kohlenstoffträgern und lonomeren ferner weitere Bestandteile wie deionisiertes Wasser, Dispersionsmittel oder Regulatoren umfassen können, die vorliegende Anmeldung jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Ferner sollte verstanden werden, dass das Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Anmeldung ferner zum Herstellen von Kathodenkatalyseschichtstrukturen mit mehr als drei Schichten verwendet werden kann, die vorliegende Anmeldung jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Ferner sollte verstanden werden, dass die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und „dritte/r/s“ nur zur Unterscheidung eines Parameters oder eines Materials von einem anderen Parameter oder einem anderen Material verwendet werden, diese Parameter und/oder Materialien jedoch nicht durch diese Art von Begriffen eingeschränkt werden sollen.
Vorstehend wurde die vorliegende Anmeldung anhand von konkreten Ausführungsformen im Detail beschrieben. Es ist offensichtlich, dass alle der vorher genannten Beschreibungen und die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen als Beispiele zu verstehen sind und keine Einschränkung der vorliegenden Anmeldung darstellen. Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet können, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Anmeldung abzuweichen, an dieser verschiedene Variationen oder Änderungen vornehmen, wobei diese Variationen oder Änderungen nicht den Bereich der vorliegenden Anmeldung verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung der Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Bilden einer Kathodenkatalyseschichtstruktur mit mindestens einer ersten Katalyseschicht und einer zweiten Katalyseschicht umfasst, wobei die zweite Katalyseschicht dazu verwendet ist, näher als die erste Katalyseschicht an der Protonenaustauschmembran der Membranelektrodenstruktur positioniert zu sein, und die erste Katalyseschicht aus einer ersten Aufschlämmung gebildet ist und die zweite Katalyseschicht aus einer zweiten Aufschlämmung gebildet ist, wobei: die erste durchschnittliche Teilchengröße des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung ist; die erste spezifische Oberfläche des ersten Kohlenstoffträgers in der ersten Aufschlämmung größer oder gleich 200 m²/g und die zweite spezifische Oberfläche des zweiten Kohlenstoffträgers in der zweiten Aufschlämmung kleiner oder gleich 200 m²/g ist; das erste I/C-Verhältnis in der ersten Aufschlämmung größer als 0,9 und das zweite I/C-Verhältnis in der zweiten Aufschlämmung kleiner oder gleich 0,9 ist; und der erste Gewichtsprozentsatz des Gewichts des ersten Platinkatalysators in der ersten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des ersten Kohlenstoffträgers und des ersten Platinkatalysators größer oder gleich 40 % und der zweite Gewichtsprozentsatz des Gewichts des zweiten Platinkatalysators in der zweiten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des zweiten Kohlenstoffträgers und des zweiten Platinkatalysators kleiner oder gleich 40 % ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aufschlämmung und die zweite Aufschlämmung in mindestens einer der folgenden Formen vorliegen: Die erste durchschnittliche Teilchengröße ist kleiner oder gleich 2 nm, und die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist größer oder gleich 2 nm; die erste spezifische Oberfläche liegt zwischen 800 m²/g und 1.000 m²/g, und die zweite spezifische Oberfläche liegt zwischen 100 m²/g und 200 m²/g; das erste I/C-Verhältnis ist größer als 0,9 und kleiner oder gleich 1,05, und das zweite I/C-Verhältnis ist gleich 0,9, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,8; der erste Gewichtsprozentsatz liegt zwischen 50 % und 60 %, und der zweite Gewichtsprozentsatz liegt zwischen 20 % und 40 %.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste Platinanteil der ersten Katalyseschicht mindestens das 1,5-fache des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht beträgt, der Gesamtplatinanteil der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht vorzugsweise 0,1 bis 0,6 mg/cm² beträgt; und/oder die Dicke der ersten Katalyseschicht und die Dicke der zweiten Katalyseschicht grundsätzlich identisch sind, und die Gesamtdicke der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht vorzugsweise 6 bis 15 µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der EW-Wert des ersten lonomers in der ersten Aufschlämmung größer als der EW-Wert des zweiten lonomers in der zweiten Aufschlämmung ist, und vorzugsweise der EW-Wert des ersten lonomers zwischen 800 g/mol und 1.000 g/mol liegt und der EW-Wert des zweiten lonomers zwischen 720 g/mol und 800 g/mol liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Kathodenkatalyseschichtstruktur ferner das Bilden einer dritten Katalyseschicht zwischen der ersten Katalyseschicht und der zweiten Katalyseschicht umfasst und die dritte Katalyseschicht aus einer dritten Aufschlämmung gebildet ist, wobei die dritte durchschnittliche Teilchengröße des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung größer als die erste durchschnittliche Teilchengröße und kleiner als die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist; die dritte spezifische Oberfläche des dritten Kohlenstoffträgers in der dritten Aufschlämmung größer als die zweite spezifische Oberfläche und größer oder gleich der ersten spezifischen Oberfläche ist; das dritte I/C-Verhältnis in der dritten Aufschlämmung größer als das zweite I/C-Verhältnis und kleiner als das erste I/C-Verhältnis ist; der dritte Gewichtsprozentsatz des Gewichts des dritten Platinkatalysators in der dritten Aufschlämmung am Gesamtgewicht des dritten Kohlenstoffträgers und des dritten Platinkatalysators größer oder gleich 40 % ist; und der dritte Platinanteil der dritten Katalyseschicht mindestens das Doppelte des ersten Platinanteils der ersten Katalyseschicht und mindestens das Doppelte des zweiten Platinanteils der zweiten Katalyseschicht beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aufschlämmung, die zweite Aufschlämmung und die dritte Aufschlämmung in mindestens einer der folgenden Formen vorliegen: Die erste durchschnittliche Teilchengröße ist kleiner als 2 nm, die zweite durchschnittliche Teilchengröße ist größer als 4 nm, und die dritte durchschnittliche Teilchengröße liegt zwischen 2 nm und 4 nm; die erste spezifische Oberfläche liegt zwischen 200 m²/g und 800 m²/g, die zweite spezifische Oberfläche liegt zwischen 100 m²/g und 200 m²/g, und die dritte spezifische Oberfläche liegt zwischen 800 m²/g und 1.000 m²/g; das erste I/C-Verhältnis ist größer als 0,9 und kleiner oder gleich 1,05, das zweite I/C-Verhältnis ist kleiner oder gleich 0,8, und das dritte I/C-Verhältnis ist gleich 0,9; Der EW-Wert des ersten lonomers in der ersten Aufschlämmung ist größer als der EW-Wert des zweiten lonomers in der zweiten Aufschlämmung und größer als der EW-Wert des dritten lonomers in der dritten Aufschlämmung, und vorzugsweise liegt der EW-Wert des ersten lonomers zwischen 800 g/mol und 1.000 g/mol, der EW-Wert des zweiten lonomers zwischen 720 g/mol und 800 g/mol und der EW-Wert des dritten lonomers zwischen 720 g/mol und 800 g/mol.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass: der Gesamtplatinanteil der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht 0,1 bis 0,6 mg/cm² beträgt; und/oder die Dicken der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht grundsätzlich identisch sind, und die Gesamtdicke der ersten Katalyseschicht, der zweiten Katalyseschicht und der dritten Katalyseschicht vorzugsweise 6 bis 15 µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator jeweils aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Reinplatinkatalysatoren und Platinlegierungskatalysatoren besteht, und der erste Platinkatalysator, der zweite Platinkatalysator und der dritte Platinkatalysator vorzugsweise identische Katalysatoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkatalyseschichtstruktur durch ein Umdruckverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Bürstenbeschichtungsverfahren, Tintendruckverfahren oder Schlitzdüsenbeschichtungsverfahren gebildet ist.
Kathodenkatalyseschichtstruktur einer Membranelektrodenstruktur für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkatalyseschichtstruktur mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.