DE10239818B4

DE10239818B4 - Elektrode für Festpolymerbrennstoffzellen

Info

Publication number: DE10239818B4
Application number: DE10239818A
Authority: DE
Inventors: Kaoro Wako Fukuda; Shinya Wako Watanabe; Chikara Wako Iwasawa; Tadahiro Wako Shiba; Yuichiro Wako Sugiyama
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: CA2399782A1; US20030044673A1; DE10239818A1

Abstract

Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenelektrode, mit einer auf der Elektrodenoberfläche angeordneten Elektroden-Katalysatorschicht, welche eine Katalysatorsubstanz, elektrisch leitende Partikel und ein Ionen leitendes Polymer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer an der Elektroden-Katalysatorschicht durchgeführten Röntgenbeugungsmessung das Verhältnis I(111)/I(200) der Peak-Intensität I(111) der (111)-Ebene zu der Peak-Intensität I(200) der (200)-Ebene 1,7 oder geringer ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für Festpolymerbrennstoffzellen und betrifft insbesondere eine Technologie zur Verbesserung einer Katalysatorfunktion.

Eine Festpolymerbrennstoffzelle wird durch Anbringen von Separatoren an beiden Seiten eines dünnen Membranelektrodenaufbaus (MEA) zusammengesetzt. Der Membranelektrodenaufbau ist im Allgemeinen ein Körper mit Schichtstruktur, bei dem eine Polymerelektrolytmembran zwischen einer Elektroden-Katalysatorschicht auf der positiven Seite und einer Elektroden-Katalysatorschicht auf der negativen Seite angeordnet ist und der eine an der Außenseite jeder Elektroden-Katalysatorschicht beschichtete Gasdiffusionsschicht aufweist. Gemäß einer solchen Brennstoffzelle tritt eine elektrochemische Reaktion auf, z.B. indem Wasserstoffgas durch einen Gasdurchgang des an der Seite der negativen Elektrode angeordneten Separators hindurchtritt und indem ein Oxidationsgas durch einen an der Seite der positiven Elektrode angeordneten Separator hindurchtritt, und ein elektrischer Strom wird erzeugt.

Während des Betriebs der Brennstoffzelle überträgt die Gasdiffusionsschicht Elektronen, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen der Elektroden-Katalysatorschicht und dem Separator erzeugt wor den sind, und lässt gleichzeitig das Brenngas und das Oxidationsgas diffundieren. Die Elektroden-Katalysatorschicht auf der Seite der negativen Elektrode bewirkt eine chemische Reaktion in dem Brenngas, um Protonen (H⁺) und Elektronen zu erzeugen, und die Elektroden-Katalysatorschicht auf der Seite der positiven Elektrode erzeugt Wasser aus Sauerstoff, Protonen und Elektronen, während die Elektrolytmembran die Protonen durch Ionenleitung überträgt. Hierdurch wird durch die positiven und negativen Elektroden-Katalysatorschichten elektrische Energie erzeugt. Hierbei besteht die Elektroden-Katalysatorschicht aus einer Katalysatorpaste, in die Katalysatorpartikel tragende Kohlenstoffpartikel gemischt sind, wobei die Katalysatorpartikel an der Oberfläche aus einem Platingruppenmetall, etwa aus Platin, hergestellt sind, und in die ein ein Ionen leitendes Polymer umfassender Elektrolyt gemischt ist. Man vermutet, dass die elektrochemische Reaktion an einem Drei-Phasen-Übergang stattfindet, an dem Katalysator, Elektrolyt und Gas koexistieren.

Bei der in dem herkömmlichen Prozess des Mischens von Katalysatorpartikel tragenden Kohlenstoffpartikeln und eines ein Ionen leitendes Polymer umfassenden Elektrolyten erhaltenen Katalysatorpaste neigte der Ausnutzungsgrad von Katalysatorpartikeln in der elektrochemischen Reaktion dazu, niedriger zu sein. Demzufolge wurde eine größere Menge von Katalysatorpartikel tragenden Kohlenstoffpartikeln verwendet als notwendig, und da die Katalysatorpartikel aus teuren Platingruppenmetallen, etwa aus Platin, hergestellt sind, waren als Ergebnis die Kosten unvorteilhaft extrem hoch.

Aus der EP 0 952 241 A1 ist eine Elektroden-Katalysatorschicht bekannt, die aus einer einzigen auf einem leitfähigen Kohlenstoffträger aufgetragenen Schicht aus einer Platin/Ruthenium-Legierung und Ruthenium mit Hexagonalstruktur besteht. Aus Röntgenbeugungsmessungen wird ein Intensitätsverhältnis der (111)-Ebene des kubisch flächenzentrierten Platins zu der Intensität der (101)-Ebene des hexagonalen Rutheniums von 1:5 bis 5:1 berichtet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode für Festpolymer-Brennstoffzellen bereitzustellen, die in der Lage ist, Strom mit hoher Abgabe und hoher Effizienz zu erzeugen, ohne dass die Menge eines verwendeten Katalysators sich erhöht.

Die Aufgabe wird durch eine Elektrode gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfinder im vorliegenden Fall forschten intensiv, um die Aufgabe zu lösen. Es hat sich gezeigt, dass bei Berücksichtigungen von gemessenen Röntgenbeugungs-Werten der Katalysatorsubstanz der Elektrodenoberfläche als ein Parameter in einem bestimmten Bereich von gemessenen Werten die Katalysatoraktivität hoch ist, der Verbrauch der Katalysatorsubstanz geringer ist als früher und eine mit höherer Effizienz elektrische Energie erzeugende Elektrode erhalten wird. Die vorliegende Erfindung basiert auf diesem Ergebnis und betrifft eine Elektrode für Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen, die gemäß Anspruch 1 eine Katalysatorsubstanz, elektrisch leitende Partikel und ein Ionen leitendes Polymer umfasst, bei dem das Verhältnis I(111)/I(200) der Peak-Intensität I(111) der (111)-Ebene und der Peak-Intensität I(200) der (200)-Ebene 1,7 oder geringer ist, wenn die Röntgenbeugung der Katalysatorsubstanz der Elektrodenfläche gemessen wird.

Die vorliegende Erfindung kann durch Messung des Absolutwertes einer Tafelsteigung demonstriert werden. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Tafelsteigung eine absteigende Neigung der I-V-(Stromdichte-Spannungs)-Kurve in dem Niedrigstrombereich. Wenn eine I-V-Kurve mit logarithmischer Skala der Stromdichte gezeichnet wird, wird eine gerade Linie in dem Niedrigstrombereich gebildet. Wenn die Neigung der geraden Linie in diesem linearen Bereich klein ist, ist die Katalysatoraktivität hoch bzw. wenn die Neigung groß ist, ist die Katalysatoraktivität gering. Bei den unten angegebenen Ausführungsformen wird in einem Berechnungsbereich, der zwischen 0,003 bis 0,1 A/cm² liegt, die Neigung abgeschätzt. Es zeigt sich, dass die Neigung kleiner ist als im Stand der Technik, wenn das Verhältnis der Peak-Intensität 1,7 oder weniger ist.

Als bei der vorliegenden Erfindung zu verwendende Katalysatorsubstanz wird ein Platingruppenmetall, insbesondere Platin, bevorzugt. Durch Zuführen der Katalysatorsubstanz sowohl vor als auch nach dem Bildungsprozess der Elektroden-Katalysatorschicht kann die Elektrode der vorliegenden Erfindung vorteilhaft hergestellt werden. In solch einem Fall setzt sich daher die Elektroden-Katalysatorschicht aus einer ersten Schicht mit einer Katalysatorsubstanz A und einer auf dieser befindlichen zweiten Schicht mit einer Katalysatorsubstanz B zusammen.

In der Katalysatorsubstanz A kann nach dem Mischen einer Katalysator-Vorläufersubstanz, elektrisch leitender Partikel und eines Ionen leitenden Polymers die Katalysator-Vorläufersubstanz chemisch reduziert werden bevor die Katalysatorsubstanz A als erste Schicht aufgetragen wird. Die nach dem Aufstreichen der ersten Elektroden-Katalysatorschicht aufgebrachte Katalysatorsubstanz B kann als eine in einer wässrigen Lösung dispergierte Katalysatorsubstanz versprüht werden und auf die Oberfläche der ersten Elektroden-Katalysatorschicht an der Seite aufgebracht werden, die mit der Elektrolytmembran in Kontakt ist.

Es wurden ferner intensive Untersuchungen durchgeführt, die die elektrische Ladungsmenge der Katalysatorsubstanz betreffen, die in einem beidseitigen Befeuchtungsverfahren, wie es in 2A gezeigt ist, und einem einseitigen Befeuchtungsverfahren, wie es in 1B gezeigt ist, als Parameter gemessen wird. Dabei wurde herausgefunden, dass die Katalysatoraktivität hoch ist, wenn die elektrische Ladungsmenge in dem ein seitigen Befeuchtungsverfahren 15% oder höher als die elektrische Ladungsmenge in dem beidseitigen Befeuchtungsverfahren ist. Daraus folgt, dass der Verbrauch des Platingruppenmetalls, das als Katalysatorsubstanz verwendet wird, gegenüber dem konventionellen Niveau reduziert sein kann, wodurch eine Elektrode erhalten wird, die in der Lage ist, elektrische Energie mit höherer Effizienz zu erzeugen. Wenn daher der Membranelektrodenaufbau für Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen durch Beschichten der Elektrode für Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung als eine Elektroden-Katalysatorschicht auf einer Seite oder beiden Seiten der Elektrolytmembran hergestellt wird, ist bevorzugt, dass der in einem Ionenleitungsdurchgang der Elektrolytmembran existierende Anteil der elektrischen Ladung der Katalysatorsubstanz, gemessen durch ein zyklisches voltamperemetrisches Verfahren, 15% oder mehr der elektrischen Ladung der in der Elektroden-Katalysatorschicht existierenden Gesamtkatalysatorsubstanz ist.

Das obige zyklische voltamperemetrische Verfahren (elektrochemisches Flächenbereichsmessverfahren der Katalysatorsubstanz) wird im Folgenden beschrieben. Bei einem gewöhnlichen zyklischen voltamperemetrischen Verfahren, wie es in 2A gezeigt ist, wird ein Befeuchtungsgas sowohl einer Kathode (positive Elektrode) 2 als auch einer Anode (negative Elektrode) 3 eines Membranelektrodenaufbaus 4 zugeführt, in dem die Elektroden 2 und 3 Elektroden-Katalysatarschichten an beiden Seiten einer Elektrolytmembran aufweisen. Hierbei wird eine elektrische Ladungsmenge auf der Grundlage des elektrochemischen Oberflächenbereichs aller Katalysatorsubstanzen in der Elektroden-Katalysatorschicht gemessen. In diesem Fall wird Befeuchtungsgas sowohl der Elektrode 2 als auch der Elektrode 3 zugeführt. Dies ist das beidseitige Befeuchtungsverfahren. Folglich durchdringt Wasser alle Bereiche in der Zelle, so dass alle in der Elektroden-Katalysatorschicht existierenden Katalysatorsubstanzen Gegenstand der Messung sind.

Demgegenüber wird bei dem in 2B gezeigten zyklischen voltamperemetrischen Verfahren die elektrische Ladungsmenge der Katalysatorsubstanz nur durch Befeuchten von der Anode 3 her gemessen. Dies ist das einseitige Befeuchtungsverfahren. Bei diesem einseitigen Befeuchtungsverfahren verteilt sich das von der Anode 3 zugeführte Wasser nur durch den Leitungsdurchgang des Ionenleiters an der Kathodenseite 2. Daher ist bei dem Ionenleitungsdurchgang in der Kathode 2 die an der Schnittstelle der Elektrolytmembran und Elektrode (Elektroden-Katalysatorschicht) existierende Katalysatorsubstanz das Hauptziel der Messung.

Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ebenso durch Messung des Absolutwertes von Tafelsteigungen demonstriert werden. Bei dieser Messung ist dann, wenn der in dem Ionenleitungsdurchgang der Elektrolytmembran existierende Anteil der elektrischen Ladung an der Katalysatorsubstanz, gemessen durch das zyklische voltamperemetrische Verfahren, 15% oder mehr ist, als die elektrische Ladung der Gesamtkatalysatorsubstanzen, die in der Elektroden-Katalysatorschicht existieren, die Neigung der geraden Linie in dem linearen Bereich der I-V-Kurve kleiner als bei dem Stand der Technik.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein eine Tafelsteigung erläuterndes Diagramm;

2A ist ein Diagramm zur Erläuterung des beidseitigen Befeuchtungsverfahrens bei dem zyklischen voltamperemetrischen Verfahren, und 2B ist ein Diagramm zur Erläuterung des einseitigen Befeuchtungsverfahrens bei dem zyklischen voltamperemetrischen Verfahren;

3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Stromdichte und der erzeugten Spannung bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt;

4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Absolutwert einer Tafelsteigung und dem Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt;

5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Platinmenge und der gesamten elektrischen Ladung einer Katalysatorsubstanz bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt;

6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Platinmenge und der elektrischen Grenzflächenladung einer Katalysatorsubstanz bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt;

7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Absolutwert der Tafelsteigung und dem Verhältnis der elektrischen Grenzflächenladung zur gesamten elektrischen Ladung der Katalysatorsubstanz bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt; und

8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Stromdichte und der erzeugten Spannung bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen genauer beschrieben.
Beispiel 1
100 g eines Ionen leitenden Polymers (Nafion SE5112), 5 g Ketrenblack EC und 27,4 g von 10% [Pt(NO₂)₂(NH₃)₂] wässriger Salpetersäurelösung als Katalysator-Vorläufersubstanz wurden gemischt, eine Ethanollösung wurde zu diesem Gemisch hinzugefügt, um es zu reduzieren, und eine Katalysatorpaste wurde erhalten. Diese Katalysatorpaste wurde auf eine Schicht EEP (Tetrafluorethylenhexafluorpropylen-Copolymer) aufgetragen und getrocknet, und eine Elektrodenschicht A wurde erhalten. Der Platingehalt in dieser Elektrodenschicht A war 0,30 mg/cm². 1 g Platinschwarz wurde in 100 g reinem Wasser gelöst, diese Platinschwarz-Lösung wurde versprüht und durch ein Sprühverfahren auf die Elektrodenschicht A aufgetragen. Hierdurch wurde eine Elektrodenschicht B des Beispiels 1 erhalten. Der Platingehalt in dieser Elektrodenschicht B war 0,35 mg/cm². Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung von Platin an der Oberfläche der Elektrodenschicht B in Beispiel 1 war das Verhältnis I(111)/I(200) der Peak-Intensität I(111) der (111)-Ebene und der Peak-Intensität I(200) der (200)-Ebene 1,4.
Beispiel 2
Eine Elektrodenschicht B des Beispiels 2 wurde in derselben Weise wie beim Beispiel 1 erhalten, außer dass 46,2 g der 10% [Pt(NO₂)₂(NH₃)₂] wässrigen Salpetersäurelösung verwendet wurden. Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung von Platin an der Oberfläche der Elektrodenschicht B bei Beispiel 2 war das Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) 1,6.
Beispiel 3
Eine Elektrodenschicht B des Beispiels 3 wurde in derselben Weise wie beim Beispiel 1 erhalten, außer dass 13,7 g der 10% [Pt(NO₂)₂(NH₃)₂] wässrigen Salpetersäurelösung verwendet wurden. Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung von Platin an der Oberfläche der Elektrodenschicht B in Beispiel 3 war das Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) 1,2.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Elektrodenschicht B des Vergleichsbeispiels 1 wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 erhalten, außer dass die Katalysatorpaste durch Mischen von 100 g eines Ionen leitenden Polymers (Nafion SE5112 und 10 g von Platin tragenden Kohlenstoffpartikeln aus Ruß und Platin in einem Verhältnis von 50:50 Massenanteilen hergestellt wurde. Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung von Platin an der Oberfläche der Elektrodenschicht B im Vergleichsbeispiel 1 war das Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) 1,9.
Vergleichsbeispiel 2
Eine Elektrodenschicht B des Vergleichsbeispiels 2 wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 erhalten, außer dass 76,1 g der 10% [Pt(NO₂)₂(NH₃)₂] wässrigen Salpetersäurelösung verwendet wurden. Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung von Platin an der Oberfläche der Elektrodenschicht B im Vergleichsbeispiel 2 war das Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) 1,8.
Die Elektrodenschichten B der Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden auf beide Seiten einer Polymerelektrolytmembran (aus Nafion) durch ein Abziehverfahren übertragen, und Membranelektrodenaufbauten der Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden erhalten. Die Übertragung durch ein Abziehverfahren wird durch Ablösen der FEP-Schicht nach thermischer Druckverbindung der Elektrodenschicht an der Polymerelektrolytmembran durchgeführt. Auf beiden Seiten des erhalte nen Membranelektrodenaufbaus wurden Wasserstoffgas und Luft zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Temperatur sowohl des Wasserstoffgases als auch der Luft war 80°C. Der Ausnutzungsgrad von Wasserstoffgas (Verbrauch/Zufuhr) war 50% und der Ausnutzungsgrad von Luft war 50%. Die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases war 50% RH und die Feuchtigkeit der Luft war 50% RH. Die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Spannung bei dieser Energieerzeugung ist in 3 gezeigt. Der Absolutwert der Tafelsteigung wurde aufgrund der Neigung des Bereichs der Stromdichte von 0,003 bis 0,1 A/cm² in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 bestimmt, wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, und die Beziehung mit dem Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in 4 gezeigt.
Wie in 4 gezeigt ist, steigt dann, wenn das Peak-Intensitätsverhältnis I(111)/I(200) 1,7 überschreitet, der Absolutwert der Tafelsteigung plötzlich an. Dieses Peak-Intensitätsverhältnis ist kleiner als 1,7 bei den Beispielen 1 bis 3, während es einen Bereich von 1, 7 in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 überschreitet. Wie aus 3 deutlich wird, ist die Stromerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Beispiele 1 bis 3 höher als diejenige der Vergleichsbeispiele 1 und 2. Aus diesem Grund wurde bestätigt, dass die Katalysatoraktivität hoch ist und die Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit in dem Bereich des Peak-Intensitätsverhältnisses I(111)/I(200) von 1,7 oder weniger besser ist.
Als Nächstes wird im Folgenden die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Membranelektrodenaufbauten für Festpolymerbrennstoffzellen, in denen die vorliegende Erfindung angewendet wird, genauer beschrieben.
Beispiel 4
Eine Katalysatorpaste wurde durch Mischen von 100 g eines Ionen leitenden Polymers (Nafion SE5112) und 10 g von Platin tragenden Kohlenstoffpartikeln aus Ruß und Platin in einem Verhältnis von 50:50 Massenanteilen erhalten. Diese Katalysatorpaste wurde auf eine Schicht von FEP (Tetrafluorethylenhexafluorpropylen-Copolymer) aufgetragen und getrocknet, und eine Elektrodenschicht A wurde erhalten. Der Platingehalt in dieser Elektrodenschicht A war 0,30 mg/cm². Danach wurde 1 g Platinschwarz in 100 g reinem Wasser gelöst, diese Platinschwarz-Lösung wurde versprüht und durch ein Sprühverfahren auf die Elektrodenschicht A aufgetragen, und eine Elektrodenschicht B des Beispiels 4 wurde erhalten. Der Platingehalt in dieser Elektrodenschicht B war 0,4 mg/cm².
Beispiel 5
Eine Elektrodenschicht B des Beispiels 5 wurde in derselben Weise wie in Beispiel 4 erhalten, außer dass die Platinschwarz-Lösung versprüht und auf die Elektrodenschicht A aufgetragen wurde, so dass der Platingehalt in der Elektrodenschicht B 0,38 mg/cm² war.
Beispiel 6
Eine Elektrodenschicht B des Beispiels 6 wurde in derselben Weise erhalten wie in Beispiel 4, außer dass die Platinschwarz-Lösung versprüht und auf die Elektrodenschicht A aufgetragen wurde, so dass der Platingehalt in der Elektrodenschicht B 0,36 mg/cm² war.
Beispiel 7
Eine Elektrodenschicht B des Beispiels 7 wurde in derselben Weise erhalten wie in Beispiel 4, außer dass die Platinschwarz-Lösung versprüht und auf die Elektrodenschicht A aufgetragen wurde, so dass der Platingehalt in der Elektrodenschicht B 0,34 mg/cm² war.
Beispiel 8
Eine Elektrodenschicht B des Beispiels 8 wurde in derselben Weise erhalten wie in Beispiel 4, außer dass die Platinschwarz-Lösung versprüht und auf die Elektrodenschicht A aufgetragen wurde, so dass der Platingehalt in der Elektrodenschicht B 0,32 mg/cm² war.
Vergleichsbeispiel 3
Eine Elektrodenschicht B des Vergleichsbeispiels 3 wurde in derselben Weise erhalten wie in Beispiel 4, außer dass die Platinschwarz-Lösung versprüht und auf die Elektrodenschicht A aufgetragen wurde, so dass der Platingehalt in der Elektrodenschicht B 0,31 mg/cm² war.
Vergleichsbeispiel 4
Eine Elektrodenschicht B des Vergleichsbeispiels 4 wurde in derselben Weise erhalten wie in Beispiel 4, außer dass die Platinschwarz-Lösung versprüht und auf die Elektrodenschicht A aufgetragen wurde, so dass der Platingehalt in der Elektrodenschicht B 0,50 mg/cm² war.
Bei den Elektrodenschichten B der Beispiele 4 bis 8 und Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurde die elektrische Ladungsmenge der Katalysatorsubstanz durch das beidseitige Befeuchtungsverfahren und das einseitige Befeuchtungsverfahren in dem zyklischen voltamperemetrischen Verfahren gemessen. Die elektrische Ladungsmenge bei dem beidseitigen Befeuchtungsverfahren ist die elektrische Ladungsmenge der gesamten Katalysatorsub stanz, und die elektrische Ladungsmenge bei dem einseitigen Befeuchtungsverfahren ist die elektrische Entladungsmenge an der Grenzfläche der Katalysatorsubstanz und der Elektrolytmembran. Die durch das beidseitige Befeuchtungsverfahren gemessenen Werte sind in 5 gezeigt, und die durch das einseitige Befeuchtungsverfahren gemessenen Werte sind in 6 gezeigt.
Ferner wurde der Absolutwert der Tafelsteigung in den Beispielen 4 bis 8 und Vergleichsbeispielen 3 und 4 aufgrund der Neigung der Stromdichte in einem Bereich von 0,003 bis 0,1 A/cm² bestimmt, wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ebenso wurde bei den Beispielen 4 bis 8 und Vergleichsbeispielen 3 und 4 das Verhältnis von elektrischer Ladungsmenge der Katalysatorsubstanz bei dem einseitigen Befeuchtungsverfahren zu der elektrischen Ladungsmenge der Katalysatorsubstanz bei dem beidseitigen Befeuchtungsverfahren bestimmt, und die Beziehung dieses Verhältnisses und des Absolutwertes der Tafelsteigung wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt.
Die Elektrodenschichten B der Beispiele 4 bis 8 und Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurden durch ein Abziehverfahren auf beide Seiten einer Polymerelektrolytmembran (aus Nafion) übertragen, und Membranelektrodenaufbauten der Beispiele 4 bis 8 und Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurden erhalten. Die Übertragung durch ein Abziehverfahren wird durch Ablösen der FEP-Schicht nach thermischer Druckverbindung der Elektrodenschicht an der Polymerelektrolytmembran durchgeführt. Auf beiden Seiten des erhaltenen Membranelektrodenaufbaus wurden Wasserstoffgas und Luft zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Temperatur sowohl des Wasserstoffgases als auch der Luft war 80°C. Der Ausnutzungsgrad von Wasserstoffgas (Verbrauch/Zufuhr) war 50% und der Ausnutzungsgrad von Luft war 50%. Die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases war 50% aus RH und die Feuchtigkeit der Luft war 50% RH. Die Beziehung zwischen der Stromdichte und Spannung bei dieser Energieerzeugung ist in 8 gezeigt.
Wie in 5 gezeigt ist, ist die bei dem beidseitigen Befeuchtungsverfahren gemessene elektrische Gesamtladungsmenge der Katalysatorsubstanz proportional zu der Platinbeschichtungsmenge. Wie jedoch in 6 gezeigt ist, stand die bei dem einseitigen Befeuchtungsverfahren gemessene elektrische Grenzflächenladungsmenge der Katalysatorsubstanz nicht in proportionaler Beziehung zu der Platinbeschichtungsmenge und fiel beim Vergleichsbeispiel 4 mit der größten Platinbeschichtungsmenge deutlich ab. Wie in 7 gezeigt ist, steigt dann, wenn das Verhältnis der elektrischen Ladungsmenge an der Grenzfläche zur gesamten elektrischen Ladungsmenge 15% überschreitet, der Absolutwert der Tafelsteigung scharf an, und das Verhältnis ist in einem Bereich von 15% oder mehr in den Beispielen 4 bis 8, während es unter 15% in den Vergleichsbeispielen 3 und 4 ist. Wie aus 8 deutlich wird, ist die Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit der Beispiele 4 bis 8 höher als die bei den Beispielen 3 und 4, und daher wurde bestätigt, dass die Katalysatoraktivität hoch ist und die Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit bei dem Verhältnis von 15% oder mehr besser ist.
Eine Elektrode für Festpolymerbrennstoffzellen ist in der Lage, elektrische Energie mit einer hohen Abgabe und hoher Effizienz zu erzeugen, ohne den Verbrauch der Katalysatorsubstanz zu erhöhen. Das Verhältnis I(111)/I(200) der Peak-Intensität I(111) der (111)-Ebene und der Peak-Intensität I(200) der (200)-Ebene durch Messung von Röntgenbeugung der Katalysatorsubstanz der Elektrodenoberfläche ist 1,7 oder geringer.

Claims

Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenelektrode, mit einer auf der Elektrodenoberfläche angeordneten Elektroden-Katalysatorschicht, welche eine Katalysatorsubstanz, elektrisch leitende Partikel und ein Ionen leitendes Polymer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer an der Elektroden-Katalysatorschicht durchgeführten Röntgenbeugungsmessung das Verhältnis I(111)/I(200) der Peak-Intensität I(111) der (111)-Ebene zu der Peak-Intensität I(200) der (200)-Ebene 1,7 oder geringer ist.
Elektrode einer ein Festpolymerelektrolyt aufweisenden Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorsubstanz Platin umfasst.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektroden-Katalysatorschicht aus einer ersten Schicht mit einer Katalysatorsubstanz A und einer auf dieser befindlichen zweiten Schicht mit einer Katalysatorsubstanz B zusammensetzt.
Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden-Katalysatorschicht eine erste Schicht aufweist, deren Katalysatorsubstanz A mittels Mischen einer Katalysator-Vorläufersubstanz, elektrisch leitender Partikel und eines Ionen leitenden Polymers sowie durch chemische Reduzierung der Katalysator-Vorläufersubstanz gebildet ist und die zweite Schicht mittels Versprühen und Auftragen einer in wässriger Lösung dispergierten Katalysatorsubstanz B auf die Oberfläche der ersten Schicht erhalten ist.