DE19959671B4

DE19959671B4 - Brennstoffzellen-Elektrode und Verfahren zur Herstellung der Elektrode

Info

Publication number: DE19959671B4
Application number: DE19959671A
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Toyota Ozaki; Tatsuya Toyota Kawahara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2019-12-11
Also published as: US6280872B1; DE19959671A1; JP2000182625A; CA2292033A1; CA2292033C

Abstract

Brennstoffzellenelektrode (11), mit einer Katalysatorschicht (12) und einer diese direkt kontaktierenden Gasdiffusionsschicht (14), bei der
die Zusammensetzung der Gasdiffusionsschicht (14) Kohlenstoffpulver sowie ein hochpolymeres Material mit Wasserabweisungsvermögen aufweist,
und die Gasdiffusionsschicht (14) eine Doppelschichtstruktur mit einer Innenschicht (18) auf der Seite der Katalysatorschicht (12) und einer von der Katalysatorschicht (12) abgewandten Außenschicht (20) aufweist,
wobei die Körnung des Kohlenstoffpulvers der Innenschicht (18) feiner als die der Außenschicht (20) ist,
und die Porosität der Innenschicht (18) geringer als die der Außenschicht (20) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenelektrode und ein Verfahren zur Herstellung der Elektrode.
Eine an eine elektrochemische Brennstoffzelle angepasste Elektrode umfasst eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionsschicht, die Gas in die Katalysatorschicht diffundiert und dieser zuführt, wird auf der Außenseite der Katalysatorschicht abgeschieden.
Die Gasdiffusionsschicht wirkt nicht nur zur Diffusion eines Gases wie es vorstehend erwähnt wurde, sondern auch zur Entfernung von Feuchtigkeit, die sich auf der Oberfläche der Katalysatorschicht bildet. Dementsprechend sind eine gute Gasdiffusionsfähigkeit, gute elektrische Leitfähigkeit und gutes Wasserabweisungsvermögen für die Gasdiffusionsschicht erforderlich.

Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht wird üblicherweise ein Material auf Kohlenstoffbasis wie ein Kohlenstofffasergewebe, ein Kohlenstofffaserpapier, o.ä. für die Gasdiffusionsschicht verwendet. Durch Permeation von Polytetrafluorethylen (PTFE) in das Material auf Kohlenstoffbasis wird die Gasdiffusionsschicht auch wasserabweisend. Mit dem Verfahren des Beschichtens einer Kohlenstoffverbindung (oder einer Paste), die mit PTFE und Kohlenstoffpulver wie Ruß vermischt und geknetet wird, wird die Gasdiffusionsschicht hergestellt. Eine derartige Elektrode in einer elektrochemischen Brennstoffzelle ist bspw. in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 5-283 082 vorgeschlagen.

In der herkömmlichen Elektrode für eine elektrochemische Brennstoffzelle, wie der vorstehend erwähnten Elektrode, wird ein Material auf Kohlenstoffbasis, wie Kohlenstofffasergewebe oder ein Kohlenstofffaserpapier, zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode verwendet. Eine derartige Elektrode besitzt jedoch Probleme, da die Kosten der Elektrode aufgrund des teuren Materials auf Kohlenstoffbasis hoch sind.

Erfindungsgemäß sollen vorstehend erwähnte Probleme gelöst werden. Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Brennstoffzellenelektrode bereitzustellen, die eine hohe Leistungsfähigkeit und geringe Kosten mit sich bringt. Ferner soll erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektrode für eine elektrochemische Brennstoffzelle bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffzellenelektrode nach Patentanspruch 1. Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung umfasst in einer Ausführungsform einer Brennstoffzellenelektrode die Elektrode eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht, die die Katalysatorschicht kontaktiert. Die Gasdiffusionsschicht umfasst Kohlenstoffpulver und ein hochpolymeres Material mit Wasserabweisungsvermögen. Die Gasdiffusionsschicht besteht im Wesentlichen aus Kohlenstoffpulver und dem hochpolymeren Material. Die Gasdiffusionsschicht weist eine Innenschicht und eine Außenschicht auf, und die Innenschicht besitzt eine feinere Körnung als die Außenschicht.

Ferner ist es auch wirksam, wenn die Gasdiffusionsschicht Ruß aufweist und der Ruß in der Innenschicht eine feinere Struktur als der Ruß in der Außenschicht aufweist.

Ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenelektrode umfasst die Beschichtung einer Katalysatorschicht auf z.B. einer Elektrolytmembran, die Beschichtung einer Verbindung aus Kohlenstoffpulver und eines hochpolymeren Materials mit Wasserabweisungsvermögen auf der Katalysatorschicht und die Wärmebehandlung der Kohlenstoffverbindung auf der Katalysatorschicht.

Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht der Elektrode, wie vorstehend erwähnt, kein poröses Material auf Kohlenstoffbasis verwendet. Demnach sind die Kosten der Elektrode gering.

Die vorstehenden Merkmale, Vorteile und technische sowie industrielle Bedeutung der Erfindung sind besser verständlich nach Lektüre der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer Brennstoffzellenelektrode 11 gemäß der Erfindung ist;

2 ein Blockdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung einer herkömmlichen Elektrode für eine elektrochemische Brennstoffzelle zeigt;

3 ein Blockdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode gemäß der Erfindung zeigt; und

4 eine Erläuterung ist, die die Beschichtung eine Kohlenstoffverbindung (oder einer Kohlenstoffpaste) auf z.B. einer Elektrolytmembran gemäß dem Herstellungsverfahren zeigt, wie es in 2 erklärt ist.

In der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung genauer unter Angabe spezieller bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. 1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils einer Brennstoffzellenelektrode gemäß der Erfindung. In 1 weist die Elektrode 11 eine Katalysatorschicht 12 und eine Gasdiffusionsschicht 14 auf. Eine Elektrolytmembran 10 wird zwischen die Katalysatorschicht 12 (bspw. die auf der linken Seite der Elektrolytmembran 10 gezeigte), welche als Anode wirkt und die Katalysatorschicht 12 (bspw. die auf der rechten Seite der Elektrolytmembran 10 gezeigte), die als Kathode wirkt, eingefügt. Auf der Außenseite der Katalysatorschicht 12 ist die Gasdiffusionsschicht 14 vorgesehen. Die Gasdiffusionsschicht 14 führt ein Wasserstoffgas oder ein Oxidationsgas als Brennstoff der Katalysatorschicht 12 zu, führt Elektronen zu und speichert Elektrizität. Wasserstoffgas bedeutet ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält und das Oxidationsgas bedeutet ein Gas, das hauptsächlich ein Oxidationsmittel enthält. Darüber hinaus ist ein Separator 16 auf der Außenseite der Gasdiffusionsschicht 14 abgeschieden. Eine Führungsnut (nicht in 1 gezeigt) zur Zuführung des Wasserstoffgases oder des Oxidationsgases ist zwischen dem Separator 16 und der Gasdiffusionsschicht 14 geformt. Das Wasserstoffgas oder das Oxidationsgas wird durch diese Führungsnut der Katalysatorschicht 12 über die Gasdiffusionsschicht 14 zugeführt.

Das Material auf Kohlenstoffbasis wie Kohlenstofffasergewebe oder Kohlenstofffaserpapier wird nicht für die Gasdiffusionsschicht 14 verwendet. Als Ausführungsform der Erfindung wird die Gasdiffusionsschicht 14 durch Beschichten von Kohlenstoffpaste (oder eine Kohlenstoffverbindung) direkt auf eine Oberfläche jeder der zwei Katalysatorschichten 12 gebildet, zwischen denen sich die Elektrolytmembran 10 befindet. Die Kohlenstoffpaste wird hergestellt durch Vermischen und Kneten von Kohlenstoffpulver, wie Ruß, mit einem hochpolymeren Material (auch festes Polymer genannt), welches Wasserabweisungsvermögen besitzt, wie Polytetrafluorethylen (PTFE). Da die Elektrode 11 wie vorstehend erwähnt hergestellt wird und das Material auf Kohlenstoffbasis, wie Kohlenstofffasergewebe oder Kohlenstofffaserpapier, das hohe Kosten verursacht, nicht eingesetzt wird, können die Kosten für die Elektrode 11 reduziert werden.

Es werden nicht nur die Kosten für die Brennstoffzellenelektrode 11 reduziert, sondern auch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenelektrode 11 wird beibehalten, indem eine Doppelschichtstruktur mit einer Innenschicht 18 und einer Außenschicht 20 für die Gasdiffusionsschicht 14 eingenommen wird. Die Innenschicht 18 der Gasdiffusionsschicht 14 befindet sich auf der Seite der Katalysatorschicht 12 und die Außenschicht 20 befindet sich auf der Seite des Separators 16.

In der Innenschicht 18 ist das Wasserabweisungsvermögen reduziert, indem der Gehalt des PTFE reduziert und der Gehalt des Rußes erhöht ist. Die Struktur (auch sekundäre Körnung genannt) des Rußes, die für die Innenschicht 18 verwendet wird, ist fein. Dementsprechend ist der Ruß der Innenschicht 18 feiner und enger benachbart und der Gehalt des PTFE in der Innenschicht 18 ist gering. Der elektrische Widerstand der Elektrode 11 ist gering und die in der Katalysatorschicht 12 erzeugte Elektrizität wird in hohem Maße gespeichert.

Andererseits ist in der Außenschicht 20 das Wasserabweisungsvermögen verbessert, indem der Gehalt von PTFE erhöht ist und die Außenschicht 20 ist porös, da Ruß mit einer gröberen Struktur verwendet wird. Da das Wasserabweisungsvermögen der Außenschicht 20 verbessert ist, kann auf der Oberfläche des Katalysators 12 auftretende Feuchtigkeit elegant und schnell eliminiert werden. Da die Außenschicht 20 porös ist, kann die Gasdiffusionsfähigkeit verbessert werden.

Da die Gasdiffusionsschicht 14 wie vorstehend erwähnt als Doppelschichtstruktur ausgebildet ist, die die Innenschicht 18 mit geringem elektrischen Widerstand und hoher elektrische Speicherfähigkeit sowie die Außenschicht 20 mit hoher Gasdiffusion beinhaltet, können die Gasdiffusionsfähigkeit, die elektrische Speicherfähigkeit und das Wasserabweisungsvermögen Eigenschaft, die sämtlich für die Gasdiffusionsschicht 14 erwünscht sind, verbessert werden.

In 2 ist ein herkömmliches Herstellungsverfahren einer Elektrode für eine elektrochemische Brennstoffzelle erläutert. Wie vorstehend erwähnt, wird zuerst eine Kohlenstoffpaste durch Vermischen und Kneten von Ruß und PTFE hergestellt und die Kohlenstoffpaste wird auf einer Bahn auf Kohlenstoffbasis aus Kohlenstofffasergewebe oder Kohlenstofffaserpapier geschichtet. Dann wird eine Wärmebehandlung durchgeführt und die Elektrode wird durch Heißpressen der Kohlenstoffpaste und der Katalysatorschichten, die sich auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gegenüberstehen, fertiggestellt.

Andererseits werden in dieser Ausführungsform der Erfindung, wie es in 3 gezeigt ist, zwei Arten von Kohlenstoffpaste, die der Innenschicht 18 und der Außenschicht 20 entsprechen, zunächst durch Anordnung der Qualität und der Quantität des Rußes und der Menge von PTFE hergestellt. Dann wird durch Beschichten der Kohlenstoffpaste direkt auf die Katalysatorschichten 12 auf z.B. einer Elektrolytmembran 10 und durch Wärmebehandlung der Kohlenstoffpaste mit den Katalysatorschichten 12 die Brennstoffzellenelektrode 11 fertiggestellt. Im Vergleich von 4 zu 3 ist klar, dass das Verfahren der Beschichtung der Kohlenstoffpaste auf die Bahn auf Kohlenstoffbasis und das Verfahren der Heißpressung der Kohlenstoffpaste auf z.B. der Elektrolytmembran weggelassen werden können, da die Gasdiffusionsschicht 14 die Bahn auf Kohlenstoffbasis nicht beinhaltet. Stattdessen wird durch das Beschichtungsverfahren der Kohlenstoffpaste und die Wärmebehandlung eine Gasdiffusionsschicht 14 gebildet. Auf diese Weise kann das Herstellungsverfahren der Gasdiffusionsschicht 14 vereinfacht werden. Ferner kann die Dicke der Gasdiffusionsschicht 14 reduziert werden, da die Bahn auf Kohlenstoffbasis für die Gasdiffusionsschicht 14 nicht verwendet wird.

Es ist in 4 erläutert, wie zwei Arten der Kohlenstoffpaste auf die Katalysatorschicht 12 geschichtet werden, um die Gasdiffusionsschicht 14 zu bilden. Durch Verwendung einer Schmelzbeschichtungsvorrichtung (die coater) werden zwei Arten der Kohlenstoffpaste, die der Innenschicht 18 und der Außenschicht 20 entsprechen, auf die Katalysatorschicht 12 aufgebracht, wie es in 4 gezeigt ist. Auf diese Weise wird die zwei Schichten umfassende Gasdiffusionsschicht 14 in einem Verfahren gebildet. Die Kohlenstoffpaste kann auch gleichzeitig auf die Katalysatorschicht 12 aufgebracht werden.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann aufgrund der Beschreibung und der hier offenbarten Durchführung der Erfindung klar.

Die Brennstoffzellenelektrode umfasst eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionsschicht umfasst eine Innen- und eine Außenschicht. Die Innenschicht wird zwischen die Katalysatorschicht und die Außenseite eingefügt. Die Außenschicht der Gasdiffusionsschicht kontaktiert die Innenschicht auf der Innenseite. Da die Gasdiffusionsschicht als Doppelschichtstruktur ausgebildet ist, welche die Innenschicht mit geringem elektrischen Widerstand und mit feiner und enger Struktur aus Kohlenstoffpulver sowie die poröse Außenschicht mit hohem Wasserabweisungsvermögen beinhaltet, kann die Gasdiffusionsfähigkeit, das Wasserabweisungsvermögen und die elektrische Speicherfähigkeit der Brennstoffzellenelektrode verbessert werden.

Claims

Brennstoffzellenelektrode (11), mit einer Katalysatorschicht (12) und einer diese direkt kontaktierenden Gasdiffusionsschicht (14), bei der die Zusammensetzung der Gasdiffusionsschicht (14) Kohlenstoffpulver sowie ein hochpolymeres Material mit Wasserabweisungsvermögen aufweist, und die Gasdiffusionsschicht (14) eine Doppelschichtstruktur mit einer Innenschicht (18) auf der Seite der Katalysatorschicht (12) und einer von der Katalysatorschicht (12) abgewandten Außenschicht (20) aufweist, wobei die Körnung des Kohlenstoffpulvers der Innenschicht (18) feiner als die der Außenschicht (20) ist, und die Porosität der Innenschicht (18) geringer als die der Außenschicht (20) ist.
Brennstoffzellenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (14) Ruß als Kohlenstoffpulver aufweist.
Brennstoffzellenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (14) Polytetrafluorethylen (PTFE) als hochpolymeres Material mit Wasserabweisungsvermögen aufweist und der Gehalt an PTFE in der Innenschicht (18) geringer ist als der Gehalt an PTFE in der Außenschicht (20).
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei: – die beiden Seiten einer Elektrolytmembran mit jeweils einer Katalysatorschicht beschichtet werden, – auf den Katalysatorschichten (12), jeweils eine Innenschicht (18) einer Gasdiffusionsschicht (14) aufgebracht wird, die Kohlenstoffpulver sowie ein hochpolymeres Material mit Wasserabweisungsvermögen umfasst, – auf die jewelige Innenschicht (18) eine Außenschicht (20) der Gasdiffusionsschicht aus Kohlenstoffpulver und hochpolymerem Material aufgebracht wird, – wobei für die Innenschicht (18) ein Kohlenstoffpulver eingesetzt wird, das eine feinere Körnung aufweist, als das der Außenschicht (20), – wobei die Porosität der Innenschicht (18) geringer als die der Außenschicht (20) ist, – und Fertigstellung der Brennstoffzellenelektrode (11) durch eine Wärmebehandlung.