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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für Festpolymerbrennstoffzellen
und betrifft insbesondere eine Technologie zur Verbesserung einer Katalysatorfunktion.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe wird durch eine Elektrode gemäß Anspruch 1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein eine Tafelsteigung erläuterndes Diagramm;
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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;
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3 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Stromdichte und der
erzeugten Spannung bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt;
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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;
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5 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Platinmenge und der
gesamten elektrischen Ladung einer Katalysatorsubstanz bei Beispielen
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Platinmenge und der
elektrischen Grenzflächenladung
einer Katalysatorsubstanz bei Beispielen der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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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
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8 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Stromdichte und der
erzeugten Spannung bei Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen
genauer beschrieben.
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Beispiel 1
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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.
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Beispiel 2
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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.
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Beispiel 3
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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.
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Vergleichsbeispiel 1
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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.
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Vergleichsbeispiel 2
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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.
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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.
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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.
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Als
Nächstes
wird im Folgenden die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf
Membranelektrodenaufbauten für
Festpolymerbrennstoffzellen, in denen die vorliegende Erfindung
angewendet wird, genauer beschrieben.
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Beispiel 4
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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.
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Beispiel 5
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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.
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Beispiel 6
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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.
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Beispiel 7
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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.
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Beispiel 8
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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.
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Vergleichsbeispiel 3
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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.
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Vergleichsbeispiel 4
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.