DE102023205596A1

DE102023205596A1 - Stabilisierte Katalysatorschichten mittels kontrollierter Rissbildung

Info

Publication number: DE102023205596A1
Application number: DE102023205596.1A
Authority: DE
Inventors: Mordechai Kornbluth; Lei Cheng; Daniil Kitchaev; Christina Johnston; Jonathan Braaten
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-16
Filing date: 2023-06-15
Publication date: 2023-12-21
Also published as: US20230411637A1; CN117254035A

Abstract

Es werden Katalysatorschichten mit Mikrorissen und rissfreie Katalysatorschichten, wie etwa für Elektroden in elektrochemischen Zellen (z.B. Brennstoffzellen), und ein Verfahren zu deren Herstellung offenbart. Die Mikrorisse können die Haltbarkeit verbessern, indem sie Belastungen besser verkraften, ohne dass sie Makrorisse induzieren oder sich dazu ausbreiten. Die Mikrorisse verbessern auch die Effizienz, indem sie für den Katalysator in der Katalysatorschicht Durchgänge für Reaktanten (z.B. Sauerstoff) vorsehen. Die Mikrorisse können in einem vorbestimmten Muster gebildet werden, um des Weiteren Orte für zusätzliche Durchgänge für Reaktanten an herkömmlicherweise mangelversorgten oder stärker unterversorgten Stellen zu schaffen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Katalysatorschichten, wie etwa Kathoden-Katalysatorschichten für elektrochemische Zellen, wie etwa Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseure.
Hintergrund
Katalysatorschichten, wie etwa Kathoden-Katalysatorschichten, werden in elektrochemischen Zellen, wie Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren, verwendet. Katalysatorschichten können zum Beispiel in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) verwendet werden.
Kurzdarstellung
Es wird eine Katalysatorschicht offenbart. Die Katalysatorschicht schließt einen Katalysatorverbundstoff mit einem Katalysator, einem Katalysatorträger und einer lonomermatrix ein. In einer Verfeinerung wird der Katalysator auf dem Katalysatorträger abgeschieden, und der Katalysatorträger kann in der lonomermatrix dispergiert sein. Der Katalysatorverbundstoff kann eine Mehrzahl von Mikrorissen aufweisen. Die Mehrzahl von Mikrorissen kann eine durchschnittliche Länge von nicht mehr als 10 µm, eine durchschnittliche Breite von nicht mehr als 5 µm und/oder eine durchschnittliche maximale Tiefe aufweisen, die geringer als die Tiefe des Katalysatorverbundstoffs ist. Die Mehrzahl der Mikrorisse kann 1,5 bis 20 % der Gesamtfläche eines Querschnitts des Katalysatorverbundstoffs ausmachen.
In einer Variante kann die Mehrzahl von Mikrorissen ein vorgegebenes Muster bilden. Das Muster kann durch eine erste Reihe von Rissen in einer ersten Richtung und eine zweite Reihe von Rissen in einer zweiten Richtung gebildet werden. Die erste und die zweite Reihe von Rissen stammen aus der Mehrzahl von Mikrorissen. Die erste Richtung kann sich von der zweiten Richtung um mindestens 30 Grad unterscheiden. In einer Ausführungsform kann die Mehrzahl von Mikrorissen vor den elektrochemischen Zyklen und/oder den Feuchtigkeitszyklen vorhanden sein. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann der Katalysatorverbundstoff einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen. Der erste Abschnitt kann eine erste Vorkommensdichte von Rissen und der zweite Abschnitt eine zweite Vorkommensdichte von Rissen aufweisen. In einer Ausführungsform kann die zweite Vorkommensdichte von Rissen größer als die erste Vorkommensdichte von Rissen sein. Bei einer weiteren Verfeinerung kann die Mehrzahl von Mikrorissen eine erste Gruppe von Rissen und eine zweite Gruppe von Rissen unterschiedlicher Größe einschließen. Zum Beispiel kann die erste Gruppe von Rissen eine erste durchschnittliche maximale Tiefe aufweisen und die zweite Gruppe von Rissen kann eine zweite durchschnittliche maximale Tiefe aufweisen, die geringer als die erste durchschnittliche maximale Tiefe ist. Die erste Gruppe von Rissen kann in einem ersten Bereich einer Elektrode des Elektrodenpaares und die zweite Gruppe von Rissen kann in einem zweiten Bereich der Elektrode angeordnet sein. Die erste Gruppe kann in der Nähe des Einlasses und die zweite Gruppe kann in der Nähe des Auslasses angeordnet sein.
Es wird eine elektrochemische Zelle offenbart. Die elektrochemische Zelle kann ein Elektrodenpaar, eine zwischen dem Elektrodenpaar angeordnete Elektrolytmembran, einen Einlass und einen Auslass einschließen. Das Elektrodenpaar kann eine Katalysatorschicht einschließen. Die Katalysatorschicht kann einen Katalysatorverbundstoff mit einem Katalysator, einem Katalysatorträger und einer lonomermatrix einschließen. In einer Ausführungsform wird der Katalysator auf dem Katalysatorträger abgeschieden, und der Katalysatorträger kann in der lonomermatrix dispergiert sein. Der Katalysatorverbundstoff kann eine Mehrzahl von Mikrorissen aufweisen. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann der Katalysatorverbundstoff einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen. Der erste Abschnitt kann eine erste Vorkommensdichte von Rissen und der zweite Abschnitt kann eine zweite Vorkommensdichte von Rissen aufweisen. In einer Ausführungsform kann die zweite Vorkommensdichte von Rissen größer als die erste Vorkommensdichte von Rissen sein. Der Einlass kann so konfiguriert sein, dass er einen Reaktanten, wie etwa Sauerstoff, aufnimmt und diesen mit einer Elektrode des Elektrodenpaars in Kontakt bringt. Der erste Abschnitt kann sich in der Nähe des Einlasses befinden. Der Auslass kann so gestaltet sein, dass er ein Abgas abgibt, und der zweite Abschnitt kann sich in der Nähe des Auslasses befinden. In einer Verfeinerung kann die elektrochemische Zelle eine bipolare Platte mit Rippen und Kanälen einschließen. Der erste Abschnitt kann den Kanälen entsprechen, und der zweite Abschnitt kann den Rippen entsprechen. In einer weiteren Verfeinerung kann die Mehrzahl der Mikrorisse einen Gradienten in Bezug auf die Vorkommensdichte von Rissen bilden.
Es wird ebenfalls eine Elektrode/Elektroden-Katalysator-Schicht offenbart. Die Elektrode/Elektroden-Katalysator-Schicht kann eine lonomermatrix, einen Katalysatorträger, einen Katalysator und ein inertes Additiv bzw. einen inerten Zusatzstoff einschließen. Der Katalysator kann von dem Katalysatorträger getragen werden, und der Katalysatorträger kann in der lonomermatrix dispergiert sein. Der inerte Zusatzstoff kann so konfiguriert sein, dass er die Rissbildung unterdrückt. In einer Variante kann es sich bei dem inerten Zusatzstoff um ultrafeines Siliziumdioxid und/oder Zirkoniumdioxid handeln. In einer Verfeinerung kann der inerte Zusatzstoff (z. B. ultrafeines Siliziumdioxid und/oder Zirkoniumdioxid) in einer Menge von 1,0 bis 50 Gew.-% der Elektrode/Elektroden-Katalysator-Schicht vorhanden sein.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren schließt das Bereitstellen eines Katalysators, der auf einem Katalysatorträger getragen wird, das Dispergieren des Katalysators und des Katalysatorträgers in einem oder mehreren Lösungsmittel(n), um eine Dispersion zu bilden, das Hinzufügen eines Bindemittels, wie etwa eines lonomer-Bindemittels, zu der Dispersion, um eine Katalysatortinte mit dem darin dispergierten Katalysator zu bilden, das Inhibieren von Makrorissen und das Bilden eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht aus der Katalysatortinte ein. In einer Verfeinerung kann die Inhibierung von Makrorissen die Induzierung der Bildung von Mikrorissen im Katalysatorverbundstoff einschließen. Die Mikrorisse können durch Anwenden einer mechanischen Beanspruchung erzeugt werden. In einer Variante kann die mechanische Beanspruchung Biegung und/oder Vibration einschließen. Die mechanische Beanspruchung, die auf einen ersten Bereich des Katalysatorverbundstoffs ausgeübt wird, kann sich von der mechanischen Beanspruchung unterscheiden, die auf einen zweiten Bereich des Katalysatorverbundstoffs ausgeübt wird. In einer Verfeinerung kann der Katalysatorverbundstoff um eine Walze entlang einer ersten Achse des Katalysatorverbundstoffs gewalzt werden. Der Katalysatorverbundstoff kann auch entlang einer zweiten Achse des Katalysatorverbundstoffs, die sich von der ersten Achse unterscheidet, um eine Walze gewalzt werden. Die Mikrorisse können ein vorgegebenes Muster bilden.
In einer anderen Variante können die Mikrorisse durch schnelles Verdampfen des einen Lösungsmittels oder der mehreren Lösungsmittel hervorgerufen werden. In einer weiteren Variante kann die Katalysatortinte auf ein mikrotexturiertes Substrat aufgebracht werden. Das mikrotexturierte Substrat kann Mikrorisse in einem vorgegebenen Muster induzieren. Bei einer weiteren Variante können die Mikrorisse dadurch induziert werden, dass der Katalysatortinte vor der Bildung des Katalysatorverbundstoffs ein entfernbarer Zusatzstoff zugesetzt wird, wobei der entfernbare Zusatzstoff dann etwa durch thermische Zersetzung oder Flüssigextraktion entfernt wird. In einer weiteren Ausführungsform können die Mikrorisse durch Schockgefrieren induziert werden.
In einer anderen Variante kann der Schritt der Verhinderung von Makrorissen die Zugabe eines inerten Zusatzsstoffs, wie etwa ultrafeines Siliziumdioxid und/oder Zirkoniumdioxid, zur Katalysatortinte einschließen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die 1-2 sind Draufsichten von Makrorissen in einem Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht.
Die 3 ist eine schematische Draufsicht eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht mit Mikrorissen.
Die 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht der bzw. die in einer Brennstoffzelle vorliegt.
Die 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht mit einem Mikroriss.
Die 6 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Katalysatorschicht mit Mikrorissen in einem Muster.
Die 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht veranschaulicht.
Die 8 stellt ein Verfahren zum Anwenden einer mechanischen Beanspruchung an einen Katalysatorverbundstoff/eine Katalysatorschicht zur Induzierung von Mikrorissen dar.
Die 9 ist eine schematische Ansicht einer bipolaren Platte.

Detaillierte Beschreibung
Es werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die offengelegten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Einige Merkmale könnten übertrieben oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einer im Fachgebiet erfahrenen Person zu zeigen, wie die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in unterschiedlicher Weise eingesetzt werden können. Wie es Durchschnittfachleute im Fachgebiet verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren der anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die erläuterten Merkmalskombinationen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen zur Verfügung. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Außer in den Beispielen, oder wenn ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sind alle numerischen Mengenangaben in dieser Beschreibung, die Materialmengen oder Reaktions- und/oder Verwendungsbedingungen angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa“ bei der Beschreibung des weitesten Umfangs der Erfindung modifiziert sind. Die Anwendung innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen ist im Allgemeinen bevorzugt. Ebenso, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, beziehen sich Prozentangaben, „Teile von“ und Verhältniswerte auf das Gewicht. Der Begriff „Polymer“ schließt „Oligomer“, „Copolymer“, „Terpolymer“ und dergleichen ein. Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet oder bevorzugt für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der Erfindung impliziert, dass die Mischungen von zwei oder mehr Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleicherma-ßen geeignet oder bevorzugt sind. Die für beliebige Polymere angegebenen Molekulargewichte beziehen sich auf das zahlenmittlere Molekulargewicht. Die Beschreibung der Bestandteile in chemischer Hinsicht bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifisch angegebenen Kombination und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen eines Gemischs aus, sobald diese vermischt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung hierin und gilt mutatis mutandis bzw. sinngemäß für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung; und sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Methode festgelegt, wie diejenige, auf die zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft Bezug genommen wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt, da spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Darüber hinaus wird die hierin verwendete Terminologie nur für den Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie in irgendeiner Weise einschränkend ist.
Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, umfassen die Singularformen „ein, eine, eines“, „ein“ und „der, die, das“ Pluralbezüge, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Wenn zum Beispiel in der Einzahl auf eine Komponente Bezug genommen wird, soll damit eine Mehrzahl von Komponenten umfasst sein.
Der Begriff „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“ oder „ungefähr“ kann hierin verwendet werden, um offengelegte oder beanspruchte Ausführungsformen zu beschreiben. Die Begriffe „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“ oder „ungefähr“ können einen Wert oder ein relatives Merkmal, das in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird, modifizieren, um innerhalb von Herstellungstoleranzen und/oder innerhalb von ± 0 %, 0,1 %, 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 % oder 10 % des Wertes oder des relativen Merkmals zu bedeuten.
Was die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ betrifft, so kann der gegenwärtig offenbarte und beanspruchte Gegenstand, wenn einer dieser drei Begriffe hierin verwendet wird, die Verwendung jedes der beiden anderen Begriffe einschließen.
Es sollte auch gewürdigt werden, dass ganzzahlige Bereiche ausdrücklich alle dazwischen liegenden ganzen Zahlen einschließen. Zum Beispiel schließt der ganzzahlige Bereich 1-10 ausdrücklich 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 ein. In ähnlicher Weise umfasst der Bereich 1 bis 100 die Zahlen 1, 2, 3, 4 .. . 97, 98, 99, 100. In ähnlicher Weise können bei der Angabe eines beliebigen Bereichs dazwischenliegende Zahlen, die Inkremente der Differenz zwischen der Obergrenze und der Untergrenze geteilt durch 10 sind, als alternative Ober- oder Untergrenzen verwendet werden. Beträgt der Bereich zum Beispiel 1,1 bis 2,1, so können die folgenden Zahlen 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 und 2,0 als untere oder obere Grenzen gewählt werden.
Herkömmlicherweise gelten Risse als unerwünschte Defekte, die vermieden werden. Risse können das Ergebnis spezifischer chemischer Prozesse, schlecht formulierter Zusammensetzungen, schlechter Herstellung, unzureichender Abscheidung und/oder unsachgemäßer Verarbeitung sein. Ausgehend von diesen Mängeln können sich Makrorisse entwickeln, die auch optisch sichtbar sein können. Makrorisse können in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern lang und in der Größenordnung von Dekaden von Mikrometern breit sein (z. B. mindestens 50 µm lang und mindestens 10 µm [breit]), wie in den 1 - 2 dargestellt. Die 1 zeigt eine Katalysatorschicht mit Makrorissen und die 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines unerwünschten Makrorisses. Drastische Risse können sich sogar vollständig durch die Katalysatorschicht erstrecken und die Polymerelektrolytmembran freilegen. Im Allgemeinen entstehen die Risse bei der Bildung/Nachbearbeitung des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100. Mit der Zeit werden sich die Risse zu größeren Rissen ausweiten. Alternativ können sich Risse nicht sofort bilden, d. h. die Katalysatorschicht kann rissfrei erscheinen, aber Risse können nach geringfügiger oder begrenzter Nutzung, wie etwa nach 5 Stunden, 10 Stunden, 50 Stunden, 80 Stunden oder 100 Stunden des Gebrauchs, auftreten und sich im Laufe der Nutzung zu größeren und schwereren Rissen entwickeln.
Diese Risse können zu chemischen und mechanischen Beanspruchungen führen. Zum Beispiel können Risse hydrophile Bezirke erzeugen, in denen sich Wasser ansammeln und zusammenfließen kann. Diese Überflutung, übermäßige Hydratation und/oder Hydratations-Schwankungen der Membran und/oder der Katalysatorschicht sind unerwünscht. In diesen Pools oder Reservoirs können sich auch Verunreinigungen und abgebaute Stoffe ansammeln und aggregieren. Diese unerwünschten Stoffe können mit zunehmender Alterung der Zelle zu Degradation, Ineffizienz und/oder Versagen führen. Kontraktion und Ausdehnung (z. B. Quellung) an oder in der Nähe der Risse können zu einer zusätzlichen Degradation der Membranschicht unterhalb der Katalysatorschicht führen. So können beispielsweise Nadellöcher oder Kurzschlüsse entstehen. Dies kann zu einer beschleunigten Degradation, umgekehrten Potenzialen, Effizienzverlusten und/oder katastrophalen Ausfällen führen. Herkömmlicherweise haben hochgradig für Sauerstoff durchlässige lonomere (HOPIs) und lonomere mit niedrigem Äquivalentgewicht schwerwiegendere Probleme mit Rissbildung als Schichten auf Nafion-Basis, obwohl auch Schichten auf Nafion-Basis nicht ohne Probleme sind.
Unter Bezugnahme auf die 1 wird ein Mikroriss-haltiger Katalysatorverbundstoff/eine Mikroriss-haltige Katalysatorschicht 100 offenbart. Der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 kann in einer elektrochemischen Zelle, wie eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur, verwendet werden. Zum Beispiel kann die elektrochemische Zelle (z. B. eine Brennstoffzelle, wie eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur) ein Paar Elektroden (z. B. eine Kathode und eine Anode) und einen Elektrolyten 10, wie etwa eine Protonenaustauschmembran, umfassen, der mit den Elektroden in Kontakt steht und zwischen ihnen angeordnet ist. Die Elektroden können eine(n) oder mehrere Katalysatorverbundstoff(e)/Katalysatorschicht(en) und eine Gasdiffusionsschicht 20 einschließen. Der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 kann einen Katalysator 102 einschließen, der von einem Katalysatorträger 104 getragen wird und/oder auf diesem abgeschieden ist. Der Katalysator 102 und der Katalysatorträger 104 können mit einem lonomer 106 in Kontakt stehen und/oder darin dispergiert sein.
Bei dem Katalysator 102 kann es sich um jeden beliebigen geeigneten Katalysator, wie etwa Platin, Iridium, Nickel, Edelmetalle, andere edle Metalle, dotierten Kohlenstoff frei von Platingruppenmetallen (PGM), sowie Legierungen oder Kombinationen davon handeln. Zum Beispiel eine Platinlegierung mit Kobalt, Nickel, Eisen, Kupfer, Gold oder einer Kombination davon. Der Katalysator kann in einer Form vorliegen, die seinen Oberflächenbereich vergrößert, um seine Aktivität zu verbessern. Zum Beispiel kann ein Platinpulver verwendet werden. Das Pulver kann eine durchschnittliche Teilchengröße von höchstens 30 nm, stärker bevorzugt von höchstens 15 nm, oder sogar noch stärker bevorzugt von höchstens 10 nm aufweisen. Die durchschnittliche Teilchengröße kann zum Beispiel 0,1 bis 30 nm, vorzugsweise 0,25 bis 15 nm, oder sogar noch stärker bevorzugt 0,5 bis 10 nm betragen. In einer Verfeinerung können die Katalysatorteilchen porös sein.
Der Katalysatorträger 104 kann aus allen geeigneten Materialien zum Tragen und/oder Abscheiden des Katalysators 102 bestehen. Der Träger 104 kann elektronisch leitfähig sein. Der Katalysatorträger kann zum Beispiel ein Metalloxid oder ein Material auf Kohlenstoffbasis sein, wie etwa ein KohlenstoffPulver, eine -Faser, ein -Blatt, ein -Papier und/oder ein -Gewebe. In einer Ausführungsform kann der Träger 104 porös sein, um seinen Oberflächenbereich zu vergrößern, wie etwa Kohlenstoffe mit hohem Oberflächenbereich (HSC). Der Katalysator kann auf Kohlenstoffpartikel abgeschieden sein. Zum Beispiel kann der Träger Partikel mit einer Partikelgröße (oder durchschnittlichen Partikelgrö-ße) von 0,1 bis 40 µm, oder vorzugsweise 0,5 bis 30 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt 1 bis 20 µm enthalten. In einer Variante können die Trägerteilchen Poren mit einem Mindestdurchmesser von 0,5 bis 25 nm, vorzugsweise 1 bis 12, oder sogar noch stärker bevorzugt 2 bis 8 nm, und einer Tiefe von 0,5 bis 30 nm, oder vorzugsweise 1 bis 16, oder sogar noch stärker bevorzugt 2 bis 10 nm aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können sich diese Größenangaben auf die durchschnittliche Porengröße beziehen.
Die lonomermatrix kann aus einem Polymer und/oder einem Bindemittel mit ionischen Gruppen gebildet werden, die für den Transport von Ionen geeignet sind. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann das lonomer als der Elektrolyt dienen und/oder den Ionentransport erleichtern. Das lonomer kann aufgrund seiner ionischen Beschaffenheit stark hydrophil sein. Das lonomer kann zum Beispiel Nation, ein Material auf Nafion-Basis, ein Polyfluorpolymer, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), ein lonomer mit geringem Äquivalentgewicht und/oder ein hochgradig für Sauerstoff durchlässiges lonomer (HOPI) sein.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 eine Mehrzahl von Mikrorissen aufweisen. In einer Verfeinerung kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 frei von Makrorissen oder im Wesentlichen frei von Makrorissen sein. Mikrorisse können als ein primärer oder zusätzlicher Weg/Durchlass für den Transport von Reaktanten, wie etwa Sauerstoff, zum Katalysator dienen. Diese Mikrorisse können die Effizienz der chemischen Reaktionen verbessern, die durch den Katalysator katalysiert oder erleichtert werden. Ohne die Mikrorisse müsste der Reaktant mittels Diffusion durch den porösen Kohlenstoff wandern. In einer Variante können die Mikrorisse hohe Sauerstoffflüsse ermöglichen und/oder aufrechterhalten, die für eine Hochleistungs-/Strom-Betriebsweise erforderlich sind. In einer Verfeinerung können die Risse neue oder besser zugängliche Bereiche lokaler Porosität (d. h. Inseln) vorsehen, die den Widerstand beim Sauerstofftransport, welcher die Hochleistungs-/Strom-Betriebsweise hemmen oder behindern kann, verringern oder abmildern. Mikrorisse können auch die Bildung, das Wachstum und die Ausbreitung von Makrorissen vermindern, indem sie eine robustere Struktur für die Bewältigung chemischer und mechanischer Beanspruchungen bereitstellen. Im Gegensatz zu Makrorissen sind Mikrorisse weniger anfällig für Pooling bzw. Zusammenfließen, Fluten und/oder eine übermäßige Hydratation.
In einer Ausführungsform können sich die Mikrorisse auf Risse beziehen, die eine Länge L₁ (oder durchschnittliche Länge), wie in der 3 gezeigt, von nicht mehr als 10 µm, oder vorzugsweise von nicht mehr als 5 µm, oder noch stärker bevorzugt von nicht mehr als 3 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt von nicht mehr als 1 µm haben. In einer Variante können Mikrorisse eine Länge (oder durchschnittliche Länge) von 0,1 bis 10 µm, oder vorzugsweise von 0,25 bis 5 µm, noch stärker bevorzugt von 0,5 bis 3 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt von 0,55 bis 1 µm haben.
In einer weiteren Ausführungsform können die Risse, wie in der 5 gezeigt, eine maximale Breite W_max (oder durchschnittliche maximale Breite) von nicht mehr als 3 µm, oder vorzugsweise von nicht mehr als 1 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt von nicht mehr als 0,75 µm haben. Zum Beispiel kann die maximale Breite W_max (oder die durchschnittliche maximale Breite) 0,1 bis 3 µm, oder vorzugsweise 0,25 bis 1 µm, oder noch stärker bevorzugt 0,5 bis 0,75 µm betragen.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) können die Risse eine maximale Tiefe D_max (oder durchschnittliche maximale Tiefe) von nicht mehr als 90 %, 75 %, 60 %, 50 %, 40 % oder 25 % der Dicke des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100 aufweisen. Die maximale Tiefe D_max kann zum Beispiel 10 bis 90 % der Dicke des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100 betragen, vorzugsweise 20 bis 80 %, oder sogar noch stärker bevorzugt 30 bis 60 %. Bei einem Katalysatorverbundstoff/einer Katalysatorschicht 100 mit einer Dicke von 5 µm kann die maximale Tiefe D_max des Risses zum Beispiel 0,5 bis 4,5 µm, oder vorzugsweise 1 bis 4 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt 1,5 bis 3 µm, betragen, während ein Katalysatorverbundstoff/eine Katalysatorschicht 100 mit einer Dicke von 25 µm Risse mit einer maximalen Tiefe D_max von 2,5 bis 22,5 µm, oder vorzugsweise 5 bis 20 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt 7,5 bis 15 µm, aufweisen kann. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Katalysatorverbundstoffe/Katalysatorschichten unterschiedlich dick sein können, zum Beispiel kann ein PGM-freier Katalysator in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern dick sein. In einer Verfeinerung kann es sich bei der maximalen Tiefe D_max um eine solche Tiefe handeln, dass die verbleibende Dicke T_R eines festen oder monolithischen Anteils des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100 angrenzend an die Membran vorliegt. Zum Beispiel kann die verbleibende Dicke T_R mindestens 0,5 µm, oder vorzugsweise mindestens 0,75 µm, oder sogar noch stärker bevorzugt mindestens 1 µm, betragen. Alternativ kann der Riss vollständig, d. h. zu 100 %, durch den Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 verlaufen.
In einigen Ausführungsformen kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 frei von Makrorissen sein. In einer Variante kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 frei von Rissen sein, die eine Länge von 100 µm oder mehr, oder vorzugsweise 50 µm oder mehr, oder sogar noch stärker bevorzugt 25 µm oder mehr, aufweisen. In einer Verfeinerung kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 frei von Rissen mit einer Breite von 25 µm oder mehr, oder vorzugsweise von 10 µm oder mehr, oder sogar noch stärker bevorzugt von 25 µm oder mehr, sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 frei von Rissen sein, die eine Tiefe von 100 %, oder vorzugsweise 95 % oder mehr, oder sogar noch stärker bevorzugt 90 % oder mehr der Dicke des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100 aufweisen.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann die Vorkommensdichte von Mikrorissen ausreichend sein, um den Transport von Reaktanten zum Katalysator zu erleichtern, so dass die Effizienz verbessert und/oder der Widerstand beim Sauerstoff-Transport verringert wird. Zum Beispiel können mindestens 10 Mikrorisse, oder vorzugsweise mindestens 25 Mikrorisse, oder sogar noch stärker bevorzugt mindestens 50 Mikrorisse, vorhanden sein. In einer Variante können mindestens 5 Mikrorisse pro Quadratzoll vorhanden sein, oder vorzugsweise mindestens 10 Mikrorisse pro Quadratzoll, oder sogar noch stärker bevorzugt mindestens 25 Mikrorisse pro Quadratzoll. In einer Ausführungsform können die Risse 1,5 bis 25 %, oder vorzugsweise 3 bis 18 %, oder sogar noch stärker bevorzugt 5 bis 10 % der Fläche der 2-D- bzw. zweidimensionalen Ebene, ausmachen, die der oberen Oberfläche des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht entspricht, wie durch die Achsen A-A und B-B. Katalysatorverbundstoff/in der Katalysatorschicht 100 gezeigt. Beträge unterhalb dieses Wertes können den Sauerstofftransport kaum oder gar nicht verbessern. Darüber liegende Beträge können die Gesamtaktivität des Katalysators verringern, zu einer Zersetzung führen, die tatsächliche Beladung verringern und letztlich die Leistung beeinträchtigen.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en), wie in der 6 gezeigt, können die Risse 202 einem Muster folgen, wie etwa einem vorgegebenen Muster. Zum Beispiel kann eine erste Reihe von Rissen 204 im Allgemeinen entlang einer ersten Achse X₁ in einer ersten Richtung d₁ ausgerichtet sein, und eine zweite Reihe von Rissen 206 kann entlang einer zweiten Achse Y₁ in einer zweiten Richtung d₂, etwa wie in einem Schraffurmuster (d. h. senkrecht oder im Allgemeinen senkrecht) ausgerichtet sein. In einer Verfeinerung kann sich die erste Achse von der zweiten Achse unterscheiden, und die erste Richtung kann sich von der zweiten Richtung unterscheiden. Zum Beispiel kann die erste Achse/Richtung um mindestens 25 Grad von der zweiten Achse/Richtung abweichen, oder vorzugsweise um mindestens 45 Grad, oder sogar noch stärker bevorzugt um mindestens 60 Grad (d. h. sie bilden einen Winkel von mindestens 25/45/60 Grad). Auf diese Weise gebildete Muster können die Ausbreitung eindämmen.
Ein Riss kann sich auf eine Spaltung oder einen Bruch des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100 beziehen. Risse können das Ergebnis einer chemischen Beanspruchung, einer Beanspruchung durch elektromagnetische Strahlung und/oder einer mechanischen Beanspruchung sein. Risse können im Gegensatz zu Schnitten nicht perfekt linear oder gekrümmt sein. Stattdessen können Risse gezackt sein oder kleine/geringfügige Richtungsänderungen aufweisen, die kleine Kurven oder Biegungen um winzige Ecken erzeugen, wie in der 3 gezeigt. Alternativ können Risse auch durch Verfahren induziert werden, die eher lineare bis gerade Spaltungen ergeben.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Mehrzahl der Mikrorisse hydrophob behandelt werden (z. B. durch unpolares Glühen). Hydrophobe Behandlungen werden in der mittels 17/841 840 (RBPA0389PUS) identifizierten Anmeldung, die am 16. März 2022 eingereicht wurde, ausführlicher behandelt. 17/841 840 wird hiermit durch Bezugnahme in ihrem vollem Umfang einbezogen. So können zum Beispiel Präzisionsanwendungen, wie etwa mithilfe der Beschichtung oder des Aufbringens von Hydrophobizität auf jeden einzelnen, einen Großteil oder eine Reihe von Mikrorissen über eine Nadel erreicht werden, um ihrer hydrophilen Natur entgegenzuwirken und Pooling oder eine Überhydratation zu vermeiden. In einer Verfeinerung können Bereiche mit Rissen in hydrophober Weise und Bereiche ohne Risse nicht in hydrophober Weise (d. h. nicht behandelt) werden.
Die hierin beschriebenen Katalysator-Verbundstoff-Schichten können mindestens 500 Stunden, 1000 Stunden, 1500 Stunden, 2500 Stunden und/oder 5000 Stunden des Betriebs lang frei von Makrorissen sein, im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatorverbundstoffen/ Katalysatorschichten, bei denen sich Makrorisse sehr schnell entwickeln (d. h. innerhalb von 0 Stunden, 5 Stunden, 10 Stunden, 50 Stunden oder 100 Stunden des Betriebs) und sich zu größeren Rissen ausbreiten.
In einer anderen Variante kann der Mikroriss-haltige Katalysatorverbundstoff bzw. die Mikroriss-haltige Katalysatorschicht 100 frei von einer Schutzbeschichtung sein, welche den Durchtritt von Verbindungen, wie etwa Reaktanten, in die Mikrorisse abschwächt oder verhindert. Mit anderen Worten, die Risse können offen sein, so dass Komponenten, wie Reaktanten, in sie eindringen können. In einer Verfeinerung kann der Katalysatorträger nicht mit einer Sperrschicht beschichtet sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 rissfrei sein. Der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 kann eine lonomermatrix, einen Katalysator, einen Katalysatorträger und einen inerten Zusatzstoff einschließen, das ausreicht, um eine Rissbildung zu verhindern oder zu unterdrücken. In einer Variante kann der inerte Zusatzstoff überall in der gesamten lonomermatrix dispergiert sein. In einer Verfeinerung kann der inerte Zusatzstoff ein Material sein, das sich nicht an chemischen Reaktionen und/oder Nebenreaktionen mit den anderen Bestandteilen der Zusammensetzung beteiligt. Der inerte Zusatzstoff kann mechanische Beanspruchungen reduzieren und/oder hemmen. So kann er zum Beispiel eine Kontraktion und/oder Expansion, wie etwa während des Trocknens, verringern und/oder hemmen. Der inerte Zusatzstoff kann auch Hotspots des Katalysators oder Bereiche mit unverhältnismäßig hohen Katalysatorkonzentrationen, die anfälliger für eine Rissbildung sein können, reduzieren und/oder ausdünnen. In einer Variante kann der inerte Zusatzstoff Siliziumdioxid einschließen, und/oder es können Zirkoniumoxide verwendet werden. Der inerte Zusatzstoff kann auch Fänger von freien Radikalen, wie phenolische Antioxidantien, sekundäre Antioxidantien, Ceroxide, dotierte Ceroxide (z. B. Zirkonium-dotiertes Ceroxid) und/oder Manganoxide einschließen. Zum Beispiel ultrafeines Siliziumdioxid, wie Siliziumdioxid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 200 nm, oder vorzugsweise weniger als 60 nm oder sogar noch stärker bevorzugt weniger als 20 nm. Die lonomermatrix, der Katalysator und der Katalysatorträger können diejenigen sein, wie es hierin bereits beschriebenen worden ist. In einer Verfeinerung kann der inerte Zusatzstoff in einer Menge von mindestens 1,0 Gew.-%, oder vorzugsweise mindestens 2,5 Gew.-%, oder stärker bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, oder sogar noch stärker bevorzugt mindestens 10 % des Gesamtgewichts des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100, vorhanden sein. Der inerte Zusatzstoff kann zum Beispiel in einer Menge von mindestens 1,0 bis 50 Gew.-%, oder vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, oder sogar noch stärker bevorzugt 7,5 bis 20 Gew.-% des bzw. der gesamten Katalysatorverbundstoffs/Katalysatorschicht 100 vorhanden sein. In einer weiteren Verfeinerung kann ein Fänger von freien Radikalen in einer Menge von 5 bis 25 % seiner empfohlenen Menge zum Abfangen von Radikalen zugesetzt werden, um eine Rissbildung zu unterdrücken.
Das Verfahren 700 zur Herstellung eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht 100 wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren schließt das Bereitstellen eines Katalysators, der von einem Katalysatorträger getragen wird (d. h. Schritt 710), das Dispergieren des Katalysators und des Katalysatorträgers in einem Lösungsmittel, um eine Dispersion zu bilden (d. h. Schritt 720), das Hinzufügen und Einmischen eines Bindemittels zu der Dispersion, um eine Tinte zu bilden (d. h. Schritt 730), das Verhindern, Hemmen, Abschwächen von Makrorissen und/oder das Induzieren einer Hemmung von Makrorissen (d. h. Schritt 740) und das Bilden eines Katalysatorverbundstoffs/einer Katalysatorschicht aus der Tinte (d. h. Schritt 750) ein.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann jede beliebige geeignete Kombination aus Katalysator und Katalysatorträger verwendet werden (z. B. Platin auf Kohlenstoff). Zum Beispiel können Platin-Kohlenstoff-Katalysator-Katalysatorträger-Produkte von Johnson Matthey erhältlich sein, wie etwa B501018-5.
Der Katalysator und der Träger können in einem Lösungsmittel, wie Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel (z. B. ein Alkohol), dispergiert werden, um eine Dispersion zu bilden. Ein Bindemittel, wie etwa ein lonomer-Bindemittel, kann hinzugefügt oder in die Dispersion eingearbeitet und gemischt werden, um eine Katalysatortinte zu erhalten. In einer Verfeinerung kann das lonomer-Bindemittel Teil einer Lösung sein.
Die Tinte kann zu einem Verbundstoff oder einer Schicht geformt und getrocknet werden, um einen Katalysatorverbundstoff oder eine Katalysatorschicht zu bilden. In einer Verfeinerung kann ein inerter Zusatzstoff oder ein entfernbarer Zusatzstoff vor der Bildung des Verbundstoffs hinzugefügt werden. Der hierin beschriebene inerte Zusatzstoff kann verwendet werden, um einen rissfreien Katalysatorverbundstoff bzw. eine rissfreie Katalysatorschicht bereitzustellen. Ein entfernbarer Zusatzstoff kann verwendet werden, um Mikrorisse zu induzieren. Ein entfernbarer Zusatzstoff kann zum Beispiel eine Verbindung sein, die thermisch entfernt werden kann (z. B. durch thermische Zersetzung), oder es können auch Methoden zur Entfernung bei niedrigen Temperaturen, wie etwa eine Flüssigextraktion, verwendet werden, z. B. können sich einige feste Materialien leicht in einem organischen Lösungsmittel auflösen, so dass sie extrahiert werden und Mikrorisse hinterlassen oder induzieren. So können zum Beispiel Polyvinylalkohol und/oder Butendiol-Vinylalkohol-Copolymere in den Verbundstoff oder die Schicht eingearbeitet und durch deren Auflösen in Wasser entfernt werden. Mikrorisse können Makrorisse verhindern, indem sie chemische und/oder mechanische Beanspruchungen vermindern.
Alternativ oder in Kombination können Mikrorisse durch Ausüben einer mechanischen Beanspruchung des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht 100 nach dessen/deren Bildung erzeugt werden. In einer Variante können in hohem Tempo ablaufende oder schnelle mechanische Beanspruchungen angewendet werden. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) können diese mechanischen Beanspruchungen so angewendet werden, dass Mikrorisse in einem vorgegebenen Muster erhalten werden. In einer Verfeinerung kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 gebogen werden, wie etwa, indem er bzw. sie um einen Radius bzw. eine Rundung gebogen wird, um Mikrorisse zu induzieren, wie in der 8 gezeigt. Zum Beispiel kann eine Beanspruchung auferlegt werden, indem der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 über eine Walze 800 geführt wird, um eine mechanische Beanspruchung vorzusehen, die Mikrorisse induziert. Wenn eine gleichmäßige oder konsistente Beanspruchung auferlegt wird, können vorhersehbare Risse oder Risse in Mustern erhalten werden. Darüber hinaus kann die Größe des Radius verändert werden, um die Schwere der Risse einzustellen. Zum Beispiel kann ein kleinerer Radius zu tieferen Rissen und ein größerer Radius zu Rissen an der Oberfläche führen, die nicht vollständig durch den ganzen Katalysatorverbundstoff/die ganze Katalysatorschicht 100 oder nicht so tief eindringen.
In einer weiteren Verfeinerung kann eine erste mechanische Beanspruchung angewendet werden, um Mikrorisse entlang einer ersten Achse und/oder in einer ersten Richtung zu induzieren, und eine zweite mechanische Beanspruchung kann angewendet werden, um Mikrorisse entlang einer zweiten Achse und/oder in einer zweiten Richtung zu induzieren. Zum Beispiel kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht 100 in einer ersten Richtung an der Walze entlang vorbeigeführt und dann so gedreht werden, dass er bzw. sie eine Walze in einer zweiten Richtung passiert. Die erste und die zweite Richtung können sich um mindestens 25 Grad, oder vorzugsweise mindestens 45 Grad, oder sogar noch stärker bevorzugt mindestens 60 Grad, unterscheiden. Wird der Katalysatorverbundstoff bzw. die Katalysatorschicht zum Beispiel in einer ersten und einer zweiten Richtung d₁, d₂, die senkrecht aufeinander stehen (d. h. um 90 Grad voneinander abweichen), über eine Walze geführt, kann ein Kreuzschraffur-Muster entstehen. In einer Variante können Vibrationen angewendet werden, um mechanische Beanspruchungen zu bewirken, die ausreichen, um Mikrorisse in einem Muster zu erzeugen. Zum Beispiel kann eine vibrierende Stahltrommel-Walze verwendet werden.
Im Rahmen einer weiteren Verfeinerung kann die mechanische Beanspruchung, die auf verschiedene Bereiche des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht einwirkt, unterschiedlich sein. Dies kann die Größe oder Vorkommensdichte von Mikrorissen in verschiedenen Bereichen verändern. Zum Beispiel kann eine erste mechanische Beanspruchung auf einen ersten Bereich des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht (z. B. den Einlassbereich) und eine zweite mechanische Beanspruchung auf einen zweiten Bereich des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht (z. B. den Auslassbereich) ausgeübt werden. Der Einlassbereich kann sich in der Nähe oder in der Nachbarschaft eines Einlasses 902 befinden, z. B. des Einlasses 902 einer bipolaren Platte 900. Der Einlass 902 kann so konfiguriert sein, dass er einen Reaktanten, wie etwa Sauerstoff, aufnimmt und ihn mit einem Katalysator der Elektrode in Kontakt bringt, und der Auslassbereich kann sich in der Nähe oder in der Nachbarschaft eines Auslasses 904, wie etwa denjenigen der bipolaren Platte 900, befinden, der so konfiguriert ist, dass er ein Abgas aus der elektrochemischen Reaktion abgibt. Im Allgemeinen kann der Bereich in der Nähe des Auslasses 904 einen größeren Mangel an Reaktanten aufweisen als der Bereich in der Nähe des Einlasses 902. In einer Verfeinerung kann die zweite Beanspruchung größer sein als die erste Beanspruchung, so dass es mehr Mikrorisse oder größere Mikrorisse gibt. Dadurch kann ein größerer Transport von Reaktanten, wie etwa Sauerstoff, in den mangelhafter versorgten Auslassbereich ermöglicht werden. Bei einer weiteren Verfeinerung kann ein Beanspruchungsgradient angelegt werden, um Gradienten in Bezug auf die Vorkommensdichte und/oder die Größe von Mikrorissen zu erzeugen. So kann zum Beispiel ein Gradient verwendet werden, der die Vorkommensdichte von Rissen vom Einlassbereich zum Auslassbereich hin erhöht. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein Gradient erzielt werden, bei dem die durchschnittliche maximale Tiefe der Risse vom Einlassbereich zum Auslassbereich hin zunimmt.
Alternativ oder in Kombination können Mikrorisse durch Steuerung der Trocknungsstufe, d. h. der Verdampfung von Lösungsmitteln, erzeugt werden. In einer Verfeinerung kann eine schnelle Verflüchtigung/Verdampfung zur Induktion von Mikrorissen eingesetzt werden. So kann zum Beispiel durch eine schnellere Verdampfung eine größere Anzahl von Mikrorissen erzeugt werden, und/oder es können größere Mikrorisse induziert werden. Die Verdampfungsgeschwindigkeit kann mithilfe der verwendeten Lösungsmittel, des Luftstroms, der Temperatur, der Heizrate, der Oberfläche, der Verwendung von Inertgasen (z. B. Stickstoff, Helium und/oder Argon) und/oder der Feuchtigkeit gesteuert werden. Dementsprechend kann man eine Erhöhung der Temperatur, die Verwendung eines stärkeren Luftstroms, das Anlegen eines Vakuums und/oder die Verwendung von Lösungsmitteln mit höheren Verdampfungsraten heranziehen, um mehr und/oder größere Mikrorisse bereitzustellen. Auf diese Weise kann die Verdunstung gesteuert werden, um die Vorkommensdichte und die Größe der Mikrorisse zu bestimmen. Die durch eine schnelle Verdampfung induzierten Mikrorisse können natürlicher und/oder zufälliger erscheinen.
Der Katalysatorverbundstoff bzw. die Katalysatorschicht kann auch auf ein mikrotexturiertes Substrat aufgebracht werden, wobei dies eine Bildung von Mikrorissen induzieren oder erleichtern kann. Das Substrat kann zum Beispiel aus Silikon und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen. Das Substrat kann ein strukturiertes Muster aufweisen, zum Beispiel kann das Substrat erhöhte/angehobene Segmente aufweisen, so dass bei einer Beanspruchung des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht via des Substrats die Bildung von Mikrorissen in einem Muster auftritt, das den erhöhten und/oder den abgesenkten Segmenten entspricht. Das mikrotexturierte Substrat kann zum Beispiel vibrieren, um bei dem Katalysatorverbundstoff/der Katalysatorschicht einheitlich abgestimmte Beanspruchungen zu bewirken. Alternativ oder in Kombination damit kann das texturierte Substrat mit einem bestimmten Druck beaufschlagt werden, um Mikrorisse in einem bestimmten Muster zu erzeugen. Zum Beispiel kann eine mikrotexturierte Walze verwendet werden. In einer Variante kann das mikrotexturierte Substrat ein Muster aufweisen, das die Transportkanäle und Land-Segmente bzw. Stege einer bipolaren Platte widerspiegelt, welches in der Nähe oder in der Nachbarschaft des Katalysatorverbundstoffs/der Katalysatorschicht angeordnet werden soll. So können zum Beispiel Mikrorisse angrenzend an die Stege oder in der Nähe der Stege (z. B. die Rippen 906) einer bipolaren Platte 900 vorhanden sein. In einem anderen Beispiel können die an die Kanäle 908 der bipolaren Platte 900 angrenzenden/benachbarten Anteile keine, weniger oder kleinere Mikrorisse aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform kann Schockgefrieren angewendet werden, um Mikrorisse zu induzieren. Zum Beispiel kann der Katalysatorverbundstoff/die Katalysatorschicht kurzzeitig Wasser ausgesetzt und eingefroren werden. Die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren kann zu Mikrorissen führen. Im Rahmen einer Ausführungsform können Gefrier- und Auftauzyklen mehrmals wiederholt werden, um eine Bildung von Mikrorissen zu induzieren. Zum Beispiel kann der Katalysatorverbundstoff bzw. die Katalysatorschicht Wasser ausgesetzt werden, so dass es in die Matrix eindringt, und anschließend gefroren werden, wie etwa mithilfe flüssigen Stickstoffs. Infolge des Gefrierens können sich Risse bilden, welche in wirksamer Weise die Porosität für den Transport von Reaktanten erhöhen.
Während oben stehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind eher beschreibende als einschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder abgebildet sind. Während verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaft(en) hätten beschrieben werden können, erkennen Durchschnittsfachleute im Fachgebiet, dass ein(e) oder mehrere Merkmal(e) oder Eigenschaft(en) beeinträchtigt werden kann bzw. können, um gewünschte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Eigenschaften können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszyklus-Kosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen in dem Maß, in dem beliebige Ausführungsformen in Bezug auf ein Merkmal oder mehrere Merkmale als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik beschrieben werden, diese Ausführungsformen nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Katalysatorschicht, umfassend: einen Katalysatorverbundstoff mit einer lonomermatrix, einem darin dispergierten Katalysatorträger und einem von dem Katalysatorträger getragenen Katalysator, wobei der Katalysatorverbundstoff eine Mehrzahl von Mikrorissen aufweist.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen eine durchschnittliche Länge von nicht mehr als 10 µm aufweist.
Katalysatorschicht nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen eine durchschnittliche maximale Breite von nicht mehr als 5 µm aufweist.
Katalysatorschicht nach Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen eine durchschnittliche Tiefe aufweist, die geringer ist als die Tiefe des Katalysatorverbundstoffs.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen ein vorbestimmtes Muster bildet.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen eine erste Reihe von Rissen in einer ersten Richtung und eine zweite Reihe von Rissen in einer zweiten Richtung umfasst.
Katalysatorschicht nach Anspruch 6, wobei sich die erste Richtung um mindestens 30 Grad von der zweiten Richtung unterscheidet.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen vor den elektrochemischen Zyklen und/oder Feuchtigkeitszyklen vorhanden ist.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen 1,5 bis 25 % der Gesamtfläche des Querschnitts des Katalysatorverbundstoffs ausmacht.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei der Katalysatorverbundstoff einen ersten Abschnitt mit einer ersten Vorkommensdichte von Rissen und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Vorkommensdichte von Rissen aufweist, die größer ist als die erste Vorkommensdichte von Rissen.
Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Paar von Elektroden, welche die Katalysatorschicht nach Anspruch 10 einschließen; eine Elektrolytmembran, die zwischen dem Elektrodenpaar angeordnet ist; einen Einlass, der so konfiguriert ist, dass er einen Reaktanten aufnimmt und den Reaktanten mit einer der Elektroden des Elektrodenpaars in Kontakt bringt, wobei sich der erste Abschnitt in der Nähe des Einlasses befindet; und einen Auslass, der so konfiguriert ist, dass er ein Abgas abgibt, wobei sich der zweite Abschnitt in der Nähe des Auslasses befindet.
Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Paar Elektroden, welche die Katalysatorschicht nach Anspruch 10 einschließen; und eine bipolare Platte mit Rippen und Kanälen, wobei der zweite Abschnitt den Rippen entspricht und der erste Abschnitt den Kanälen entspricht.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen eine erste Gruppe von Rissen mit einer ersten durchschnittlichen maximalen Tiefe und eine zweite Gruppe von Rissen mit einer zweiten durchschnittlichen maximalen Tiefe, die geringer ist als die erste durchschnittliche maximale Tiefe, umfasst, wobei die erste Gruppe von Rissen in einem ersten Bereich der Elektrode und die zweite Gruppe von Rissen in einem zweiten Bereich der Elektrode angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Paar von Elektroden, welche die Katalysatorschicht nach Anspruch 13 einschließen; eine Elektrolytmembran, die zwischen den Elektroden angeordnet ist; einen Einlass, der so konfiguriert ist, dass er einen Reaktanten aufnimmt und den Reaktanten mit einer der Elektroden des Elektrodenpaars in Kontakt bringt, wobei sich der Einlass in der Nähe des ersten Bereichs befindet; und einen Auslass, der so konfiguriert ist, dass er ein Abgas aus einer Reaktion zwischen dem Reaktanten und der einen der Elektroden des Elektrodenpaars abgibt, wobei sich der Auslass in der Nähe des zweiten Bereichs befindet.
Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Paar von Elektroden, welche die Katalysatorschicht nach Anspruch 13 einschließen; und eine bipolare Platte mit Rippen und Kanälen, wobei die Rippen den zweiten Bereich widerspiegeln und die Kanäle den ersten Bereich widerspiegeln.
Katalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Mikrorissen einen Gradienten der Vorkommensdichte von Rissen bildet.
Elektrodenschicht, umfassend: eine lonomermatrix; einen in der lonomermatrix dispergierten Katalysatorträger; einen Katalysator, der von dem Katalysatorträger getragen wird; und ein inertes Additiv, das so konfiguriert ist, dass es Rissbildung unterdrückt.
Elektrodenschicht nach Anspruch 17, wobei es sich bei dem inerten Zusatzstoff um ultrafeines Siliziumdioxid und/oder Zirkoniumdioxid handelt.
Elektrodenschicht nach Anspruch 18, wobei der inerte Zusatzstoff in einer Menge von 1 bis 50 Gew.-% vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht, umfassend: Bereitstellen eines Katalysators, der von einem Katalysatorträger getragen wird; Dispergieren des Katalysators und des Katalysatorträgers in einem oder mehreren Lösungsmittel(n) zur Bildung einer Dispersion; Zugeben eines Bindemittels zu der Dispersion, um eine Katalysatortinte zu bilden, so dass der Katalysator darin dispergiert ist; Inhibieren von Makrorissen; und Bilden eines Katalysatorverbundstoffs aus der Katalysatortinte.