DE60201313T2 - Elektrode für Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines eine Katalysatorschicht einer Elektrode der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle bildenden Elektrodenkatalysatorpartikels.
  • Eine Kraftstoffzelle unter Verwendung einer Polymerelektrode erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme durch elektrochemisches Reagieren eines Brennstoffgases, welches Wasserstoff enthält mit Oxidansgas, welches Sauerstoff enthält, wie etwa Luft. Der Brennstoff umfasst grundsätzlich eine Polymerelektrolytmembran zum selektiven Transportieren von Wasserstoffionen, und ein Paar von Elektroden, die jeweils zu beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran gebildet sind. Die Elektrode bildet eine Katalysatorschicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver besteht, welches einen Platingruppen-Metallkatalysator und einen damit gemischten Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyten trägt, und eine Gasdiffusionsschicht, welche beispielsweise aus einem wasserabweisend behandelten Kohlenstoffpapier hergestellt ist, das sowohl Gaspermeabilität wie elektronische Leitfähigkeit besitzt und auf der Außenseite der Katalysatorschicht gebildet ist.
  • Gasdichtungselemente bzw. Dichtungen sind auf der Peripherie der Elektroden angeordnet, wobei die Polymerelektrodenmembran derart zu liegen kommt, dass sie verhindert, dass Brennstoffgas und ein Oxidansgas, die der Elektrode zugeführt werden, auslecken, oder dass die beiden Gasarten sich miteinander mi schen. Die Gasdichtungselemente bzw. Dichtungen werden integral mit den Elektroden und der Polymerelektrolytmembran im vornherein kombiniert. Dieses wird als "MEA" (Membranelektrodenaufbau) bezeichnet. Angeordnet außerhalb des MEA befinden sich leitfähige Separatorplatten zum mechanischen Festlegen des MEA und um benachbarte MEA elektrisch in Reihe zu schalten. In einem in Kontakt mit der MEA gelangenden Abschnitt weisen die Separatorplatten Gasströmungskanäle zum Zuführen von Reaktanzgas zu den Elektroden und zum Abführen von erzeugtem Gas und Überschussgas auf. Während die Gasströmungskanäle getrennt von den Separatorplatten vorgesehen sein können, sind Nuten üblicherweise auf den Oberflächen der Separatorplatten gebildet und dienen als Gasströmungskanäle.
  • Üblicherweise umfasst die Gasdiffusionsschicht der Elektrode der Polymerelektrolytzelle eine poröse Kohlenstoffschicht aus wasserabweisend behandeltem Kohlenstoffvlies oder dergleichen. In einigen Fällen wird mit dem Zweck, die Katalysatorschicht bzw. die Polymerelektrolytmembran befeuchtet zu halten, eine wasserabweisende Kohlenstoffschicht zwischen der Grenzfläche der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht vorgesehen. Die wasserabweisende Kohlenstoffschicht wird wie folgt gebildet.
  • Zunächst werden Kohlenstoffpartikel mit einer Dispersion aus Polytetrafluorethylen-Feinpartikeln gemischt, die ein Tensid enthalten, und das Gemisch wird einem Prozess, wie etwa Trocknen oder Filtration, unterworfen, um ein Gemisch aus Kohlenstoffpartikeln und Polytetrafluorethylen-Feinpartikeln zu erhalten. Als nächstes wird Wasser oder ein organisches Lösungsmittel dem Gemisch zugesetzt, um eine Tinte zu erzeugen. Die derart erzeugte Tinte wird durch einen Prozess, wie etwa Siebdrucken, Sprühbeschichten, Rakelaufstreichen oder Walzbeschichten auf die Oberfläche eines Kohlenstoffvlieses aufgetragen, das als Gasdiffusionsschicht dient, woraufhin Backen bei einer Temperatur von etwa 300°C bis etwa 400°C folgt, um das Tensid wegzubrennen. Üblicherweise wird die wasserabstoßende Kohlenstoffschicht auf der Gasdiffusionsschicht in dieser Weise gebildet. Die Gasdiffusionsschicht wird vorliegend mit der Katalysatorschicht derart kombiniert, dass die wasserabweisende Schicht in Kontakt mit der Katalysatorschicht steht.
  • Die Katalysatorschicht umfasst üblicherweise einen dünnen Überzugsfilm oder ein Gemisch aus einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver, welches einen Platingruppen-Metallkatalysator trägt, und aus einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten. Perfluorkohlenstoffschwefelsäure wird aktuell üblicherweise als Wasserstoffionen-leitfähiger Polymerelektrolyt verwendet. Die Katalysatorschicht wird wie folgt gebildet. Ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffpulver, welches einen Katalysator, wie etwa Platin trägt, wird mit einer Lösung oder Dispersion aus einem Polymerelektrolyten gemischt, der zubereitet wird durch Auflösen oder Dispergieren eines Polymerelektrolyten in einem alkoholischen Lösungsmittel, wie etwa Ethanol. Dem derart gewonnenen Gemisch wird ein organisches Lösungsmittel mit relativ hohem Siedepunkt zugesetzt, wie etwa Isopropylalkohol oder Butylalkohol, um Tinte zu erzeugen. Die Tinte wird auf eine Polymerelektrolytmembran oder ein anderes Substrat durch einen Prozess, wie Siebdrucken, Sprühbeschichten, Rakelaufstreichen oder Walzbeschichten aufgetragen, wodurch eine Katalysatorschicht gebildet wird. Ein Polytetrafluorethylen-Feinpulver bzw. eine Lösung bzw. eine Dispersion hiervon wird der vorstehend erläu terten Tinte zugesetzt, um im Bereich der Reaktionsstelle in der Katalysatorschicht Produktwasser und im zugeführten Gas enthaltenes Wasser rückzuhalten, während überschüssiges Wasser zur Außenseite ausgetragen wird.
  • Kommerziell erhältliche Lösungen oder Dispersionen eines Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten weisen eine Konzentration von ungefähr 10% auf. Um einen Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten mit einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver zu mischen, welches einen Katalysator trägt, muss eine Lösung bzw. Dispersion eines Polymerelektrolyten, der eine große Menge eines Lösungsmittels oder eines Dispersionsmittels enthält, mit dem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver gemischt werden, welches einen Katalysator trägt. Dies führt zu einer Verringerung der Viskosität der resultierenden Tinte, wodurch eine Tinte mit ausreichend hoher Viskosität erzeugt werden kann, die für einen Prozess, wie Siebdrucken, erforderlich ist. Um dieses Problem zu überwinden, wird ein Verfahren verwendet, demnach ein Lösungsmittel einer Tinte verdampft wird, um Tinte hoher Viskosität zu erzeugen. Es ist jedoch schwierig, durch dieses Verfahren eine homogene Tinte zuzubereiten. Ein weiteres Verfahren wird angewendet, welches folgendes vorsieht: Anfängliches Verdampfen und Verfestigen einer Lösung bzw. Dispersion eines Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten; erneutes Auflösen bzw. Dispergieren desselben in einem organischen Lösungsmittel bzw. einem Dispersionsmedium mit relativ hohen Siedepunkt, wie etwa Isopropylalkohol und Butylalkohol, um eine Lösung oder Dispersion zuzubereiten, welche einen Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten mit einer gewünschten Konzentration enthält; und Erzeugen einer Tinte unter Verwendung der Lösung bzw. Dispersion.
  • Um die Brennstoffzellen einer praktischen Nutzung zuführen zu können, ist eine weitere Verbesserung des Stromerzeugungswirkungsgrads erforderlich. Zu diesem Zweck ist es wichtig, so gleichmäßig wie möglich eine relativ dünne Schicht aus einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten auf der Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulvers anzubringen, welches einen Katalysator in der Katalysatorschicht trägt. Ferner ist es wichtig, eine derartige Schicht aus einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten auf so viel Katalysator wie möglich anzubringen. Gleichzeitig ist es erforderlich, zu verhindern, dass ein wasserabweisendes Material, welches in die Katalysatorschicht zum Zweck der Wasserhandhabung zugesetzt wird, auf der Oberfläche eines Metallkatalysators aufgetragen wird, um die Reaktionsstelle zu reduzieren.
  • Da die herkömmlichen Verfahren eine Katalysatortinte verwenden, die durch Mischen eines Katalysatorpulvers, einer Lösung bzw. Dispersion eines Wasserstoff-leitfähigen Polymerelektrolyten und einer Dispersion aus einem wasserabweisenden Material zubereitet wird, besteht jedoch das Problem, dass das wasserabweisende Material an der Oberfläche des Katalysatormetalls, wie etwa Platin, haftet, wodurch die Zufuhr des Reaktanzgases behindert wird, wodurch das Elektrodenleistungsvermögen beeinträchtigt wird. Wenn die Menge des wasserabweisenden Materials, die zugesetzt werden muss, verringert wird, um die Zufuhr des Reaktanzgases nicht zu behindern, kann eine ausreichende Menge des wasserabweisenden Materials, das für die Wasserhandhabung erforderlich ist, nicht zugesetzt werden. Die vorstehend erläuterten Gründe führen zu dem Problem, dass eine ausreichende Pulvererzeugungseigenschaft, die für den praktischen Einsatz erforderlich ist, für die Brennstoffzellen nicht erzielbar ist.
  • Die JP 2001 259431 offenbart einen Katalysatorpartikel, der sowohl mit einem Polymer, wie einem wasserabstoßenden Mittel, in einem Schritt beschichtet wird.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu schaffen, die einen Elektrodenkatalysatorpartikel hoher Leistungsfähigkeit umfasst, der in ausreichendem Maße auf einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten aufgetragen ist, und der ein wasserabweisendes Material aufweist, das für die Wasserhandhabung in geeigneter Weise zugesetzt ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle bereit, aufweisend einen Elektronenkatalysatorpartikel hohen Leistungsvermögens, der in ausreichendem Maße auf bzw. mit einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten aufgetragen ist, und der ein wasserabweisendes Material aufweist, das zur Wasserhandhabung in geeigneter Weise zugesetzt ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektrode für eine Polymerelektroden-Brennstoffzelle mit einer Katalysatorschicht bereit, aufweisend: Einen Katalysatorpartikel, der ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffpulver aufweist, welches einen Platingruppen-Metallkatalysator trägt; einen Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten; und ein wasserabweisendes Material, wobei der Katalysatorpartikel mit dem Was serstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten auf einer Oberfläche hiervon aufgetragen ist, und das wasserabweisende Material an der Außenseite des Katalysatorpartikels angebracht ist, der auf bzw. mit dem Polymerelektrolyten aufgetragen ist, wobei der Katalysatorpartikel, der Wasserstoffionenleitfähige Polymerelektrolyt und das wasserabweisende Material einen granulierten Partikel bilden.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, dass ein geeigneter Elektrodenpartikel, welcher einen Katalysatorpartikel umfasst, der mit bzw. auf einem Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyten auf seiner Oberfläche aufgetragen ist, und ein wasserabweisendes Material, das an der Außenseite des Katalysatorpartikels angebracht ist, hergestellt werden kann durch Sprühen einer Lösung bzw. Dispersion eines Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten in einer trockenen Atmosphäre, wobei ein Katalysatorpartikel, der ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffpulver umfasst, welches einen Platingruppen-Metallkatalysator trägt, strömt, wodurch der Katalysatorpartikel mit dem Polymerelektrolyten aufgetragen wird; woraufhin eine Lösung bzw. Dispersion eines wasserabweisenden Materials auf den Katalysatorpartikel gesprüht wird, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist, wodurch das wasserabweisende Material an dem Katalysatorpartikel angebracht wird.
  • Während die neuartigen Merkmale der Erfindung in den anliegenden Ansprüchen insbesondere festgelegt sind, lässt sich die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus wie ihres Inhalts besser verstehen und würdigen, zusammen mit weiteren Aufgaben und Merkmalen der Erfindung, aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt eine Vertikalschnittansicht unter schematischer Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Elektrodenpartikels, der in Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 2 zeigt ein Diagramm eines Modells von Elektrodenpartikeln in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt einen Kurvenverlauf der Polarisationskennlinie bzw. -eigenschaften der Kraftstoffzellen der Beispiele der vorliegenden Erfindung und von Vergleichsbeispielen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie vorstehend angesprochen, umfasst die Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Katalysatorschicht, aufweisend: Einen Katalysatorpartikel, der ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffpulver umfasst, das einen Platingruppen-Metallkatalysator trägt; einen Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektroyten; und ein wasserabweisendes Material, wobei der Katalysatorpartikel mit bzw. auf dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten auf einer Oberfläche hiervon aufgetragen ist und das wasserabweisende Material an einer Außenseite des Katalysatorpartikels angebracht ist, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist, wobei der Katalysatorpartikel, der Wasserstoffionen-leitfähige Polymerelektrolyt und das wasserabweisende Material einen granulierten Partikel bilden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Mengen an Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyt und wasserabweisenden Material in dem granulierten Partikel 40 bis 120 Gew.-Teile bzw. 5 bis 30 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teilen des Katalysatorpartikels, ausmachen. Die bevorzugte Menge des Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten variiert abhängig von der spezifischen Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulvers, das einen Katalysatorpartikel bildet. Im Fall eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulvers mit großer spezifischer Oberfläche eignet sich beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffpulver, das unter der Handelsbezeichnung Ketjen-Black gehandelt wird und eine spezifische Oberfläche von etwa 800 m2/g aufweist, wobei die bevorzugte Menge 80 bis 100 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teilen des Katalysatorpartikels beträgt. Im Fall eines elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpartikels mit relativ kleiner spezifischen Oberfläche, beispielsweise Acetylen-Black mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 70 m2/g, beträgt die bevorzugte Menge 40 bis 80 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teilen des Katalysatorpartikels.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle bereit, aufweisend die Schritte:
    • (a) Sprühen einer Lösung bzw. Dispersion eines Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten in eine trockene Atmosphäre, in der ein Katalysatorpartikel mit einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver, welches einen Platingruppen-Metallkatalysator trägt, strömt, wodurch der Katalysatorpartikel mit dem Polymerelektrolyten beschichtet bzw. aufgetragen wird; und
    • (b) Sprühen einer Lösung bzw. Dispersion eines wasserabweisenden Materials in eine trockene Atmosphäre, in welcher der Katalysatorpartikel, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist, strömt, wodurch das wasserabweisende Material an dem Katalysatorpartikel angebracht wird, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt (a) das Mahlen des Katalysatorpartikels, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt (b) das Mahlen des Katalysatorpartikels, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist, und an dem das wasserabweisende Material angebracht ist.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das vorstehend erläuterte Verfahren das Granulieren des Katalysatorpartikels in Kombination mit dem Mahlvorgang, und das Wiederholen des Mahlens und des Granulierens.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen ein Lösungsmittel bzw. ein Dispersionsmedium der Lösung bzw. Dispersion aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und ein Lösungsmittel bzw. ein Dispersionsmedium der Lösung bzw. Dispersion des wasserabweisenden Materials hauptsächlich aus Wasser.
  • Stärker bevorzugt bestehen 99% oder mehr der Lösungsmittel bzw. Dispersionsmedien der Lösungen bzw. Dispersionen aus Wasser.
  • Es ist bevorzugt, dass ein Elektrodenpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung ein granulierter Partikel ist, der hergestellt wird durch Granulieren eines Katalysatorpartikels mit einer Partikelgröße von weniger als 150 nm auf eine Partikelgröße von 3 bis 15 μm.
  • Im folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 1 erläutert.
  • 1 zeigt ein Konzeptionsdiagramm einer Sprühtrocknungsvorrichtung, die zur Herstellung eines Elektrodenpartikels der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Behälter 1 wird gebildet durch Verbinden eines unteren zylindrischen Behälters, eines Zylinderelements mit einer Verjüngung derart, dass der Durchmesser in Richtung auf seinen oberen Teil größer wird, mit einem oberen zylindrischen Behälter. Vorgesehen am unteren Teil des Behälters 1 befindet sich ein mit einem Heizer versehenes Gaseinlassrohr bzw. ein -schlauch 4, durch welches bzw. welcher ein Stickstoffgas, das auf konstanter Temperatur gesteuert ist, zugeführt wird, um innerhalb des Behälters eine trockene Atmosphäre zu erzeugen. Im unteren Teil des Behälters 1 ist ein Metallfilter 5 vorgesehen, um zu verhindern, dass Staub in den Behälter eindringt. Über dem Metallfilter 5 sind eine Granulationsplatte 6 mit einer großen Anzahl von Luftdurch- bzw. -auslässen und eine Rührschaufel 7, die an der Granulationsplatte fest angebracht ist, und ein Kollisionsziel 8 aufweist, das in ihrem Zentrum angebracht ist, drehbar vorgesehen. Angeordnet auf der Wandung des Behälters, die über den vorstehend erläuterten Teilen zu liegen kommt, befindet sich ein Paar von Druckgasstrahldüsen 9, aus welchen ein Hochdruckgas in Richtung auf das Kollisionsziel 8 gestrahlt wird. Im mittleren Teil des Behälters 1 ist eine Hochdrucksprüheinrichtung 3 vorgesehen. Die Hochdrucksprüheinrichtung 3 sprüht in den Behälter eine Lösung bzw. Dispersion aus einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten, bzw. eine Lösung oder Dispersion aus einem wasserabweisenden Material, die jeweils in einem Behälter 2 enthalten sind. Im oberen Teil des Behälters 1 sind Beutelfilter 10 vorgesehen. In jeden Beutelfilter 10 ist ein Rohr bzw. Schlauch 12 zum Strahlen von Druckgas, das von einer Pumpe 11 zugeführt wird, eingesetzt. Die Druckluft wird in geeigneter Weise aus der Pumpe 11 über das Rohr 12 in jeden der Beutelfilter 10 gestrahlt, um Pulver und dergleichen abzufiltern, die an den Außenseiten des Beutelfilters haften bzw. angebracht sind. Im oberen Teil des Behälters ist ein Gasauslassschlauch bzw. -rohr 13 vorgesehen.
  • Um einen Elektrodenpartikel mit der vorstehend erläuterten Vorrichtung herzustellen, werden zunächst Katalysatorpartikel auf die Granulationsplatte 6 in dem Behälter 1 geladen. Daraufhin wird eine Lösung bzw. Dispersion aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten bzw. dem wasserabweisenden Material aus der Hochdrucksprüheinrichtung 3 in den Behälter gesprüht. Die Katalysatorpartikel in dem Behälter 1 werden in Richtung auf den oberen Teil des Behälters durch Stickstoffgas konstanter Temperatur geblasen, das aus dem Gaseinlassrohr bzw. -schlauch 5 zugeführt wird. Das aus dem Gaseinlassrohr 5 zugeführte Stickstoffgas wird ausgehend vom Metallfilter 5 und der Granulationsplatte 6 in Richtung auf den oberen Teil des Behälters entlang den Pfeilen "a" und "b" nach oben geblasen, welche jeweils die Gasströmungsrichtung bezeichnen. Die Granulationsplatte 6 weist Belüftungsschlitze auf, die derart ausmünden, dass der Durchsatz durch sie hindurch in Richtung des Umfangs bzw. zum Umfang der Granulationsplatte größer wird. Ein Gasstrom, der durch das Gas erzeugt wird, der die Granulationsplatte 6 durchsetzt hat, veranlasst die Katalysatorpartikel, welche in den Behälter 1 geladen sind, dazu, in Richtung auf den oberen Teil des Behälters zu strömen, wo die Lösung bzw. Dispersion des Polymerelektrolyten bzw. des wasserabweisenden Materials an den Katalysatorpartikeln haften bzw. angebracht sind, und das ganze wird getrocknet.
  • Die Katalysatorpartikel mit dem Polymerelektrolyten und/oder dem wasserabweisenden Material, der bzw. das daran haftet, präzipitieren auf der Granulationsplatte 6 und werden daraufhin auf der sich drehenden Granulationsplatte 6 granuliert. Die Rührschaufel 7 läuft mit hoher Geschwindigkeit um, um die darauf präzipitierten Partikel zu mahlen. Die strömenden Katalysatorpartikel werden in Partikel kleiner Größenordnung bzw. gemahlen durch Strahlmahlen mit einem Impulsstrahl, welcher aus der Druckgasstrahldüse 9 in Richtung auf das Kollisionsziel 8 diskontinuierlich gestrahlt werden. Das Stickstoffgas, welches in das System zugeführt wird, wird durch das Austragrohr bzw. Austragschlauch 13 zur Außenseite des Systems ausgetragen, wobei die Elektrodenpartikel und die verfestigten Pulver des Polymerelektrolyten und das wasserabweisende Material durch die Beutelfilter 10 davon abgefiltert werden, die auf dem oberen Teil des Behälters angeordnet sind.
  • Unter Verwendung der vorstehend erläuterten Vorrichtung kann eine Lösung bzw. Dispersion aus einem Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyten auf Katalysatorpartikel gesprüht werden, und das ganze kann getrocknet werden, wodurch der Wasserstoffionen-leitfähige Polymerelektrolyt an den Katalysatorpartikeln angebracht wird, während die Katalysatorpartikel auf geeignete Partikelgröße gemahlen werden. Das heißt, die gesprühte Lösung bzw. Dispersion aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten wird auf der Oberfläche der Katalysatorpartikel angebracht, und die Katalysatorpartikel werden daraufhin getrocknet, um das Lösungsmittel bzw. Dispersionsmedium zu verdampfen, so dass erreicht werden kann, dass ausschließlich der Wasserstoffionen-leitfähige Polymerelektrolyt auf der Oberfläche der Katalysatorpartikel gleichmäßig angebracht wird. Durch zusätzliches Durchführen eines Mahlvorgangs werden die Katalysatorpartikel außerdem fein gemahlen (beispielsweise wird ein multinärer Partikel höherer Ordnung in einen multinären Partikel niedriger Ordnung gemahlen). Hierdurch kann der Wasserstoffionenleitfähige Polymerelektrolyt gleichmäßig auf dem gesamten Katalysatorpartikel, einschließlich seiner Oberfläche, angebracht werden. Die derart mit dem Polymerelektrolyten im wesentlichen vollständig beschichteten Katalysatorpartikel werden daraufhin dazu veranlasst, in eine trockene Atmosphäre zu strömen, wo eine Lösung bzw. Dispersion aus einem wasserabweisenden Material auf die Katalysatorpartikel gesprüht wird, die mit dem Polymerelektrolyten beschichtet sind, wodurch das wasserabweisende Material hauptsächlich an der Außenseite der Katalysatorpartikel angebracht wird, die mit dem Polymerelektrolyten beschichtet sind. Zwei getrennte Hochdrucksprüheinrichtungen können vorliegend vorgesehen sein: Eine für die Lösung bzw. Dispersion aus dem Polymerelektrolyten, und die andere für die Lösung bzw. Dispersion aus einem wasserabweisenden Material.
  • Beispiel 1
  • Ein leitfähiger Kohlenstoffpartikel mit einer mittleren Primärpartikelgröße von 30 nm, d. h., Ketjen-Black EC (hergestellt von AKZO Chemie Company of the Netherlands), wurde ein Platinpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 30 Å in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 tragen gelassen. Der derart gewonnene Partikel wurde als Katalysatorpartikel für eine Luftelektrode verwendet. Getrennt hiervon wurde Ketjen-Black EC ein Platinpartikel und ein Rutheniumpartikel tragen gelassen, jeweils mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 30 Å in einem Gewichtsverhältnis von 50 : 25 : 25. Der derart gewonnene Partikel wurde als Katalysatorpartikel für eine Brennstoffelektrode eingesetzt.
  • Unter Verwendung der in 1 gezeigten Vorrichtung wurde jeder der vorstehend genannten Katalysatorpartikel zunächst mit einer Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrode auf seiner Oberfläche beschichtet, und daraufhin mit einem wasserabweisenden Material unter Erzeugung eines granulierten Partikels. Perfluorkohlenschwefelsäure-Lösung einer Konzentration von 10 Gew.-% (SE 10072, hergestellt von E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc.) wurde als Wasserstoffionen-leitfähiger Polymerelektrolyt verwendet. 85 Gew.-% oder mehr des Lösungsmittels dieser Lösung bestand aus Wasser. Eine Dispersion aus einem Tetrafluorethylenhexafluorpropylen-Copolymer (Neoflon FEP, hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES, LTD.), die fünffach verdünnt wurde mit Wasser, wurde als wasserabweisendes Material verwendet.
  • Die Bedingungen, unter welchen die Elektrodenpartikel hergestellt worden waren, waren wie folgt:
    Menge des geladenen Katalysatorpartikels: 40 g
    Menge der verwendeten Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyt-Lösung: 185 g
    Menge der verwendeten wasserabweisenden Materialdispersion: 3,5 g
    Sprühgeschwindigkeit der Lösung bzw. Dispersion aus der Hochdrucksprüheinrichtung 3: 2,0 g/min
    Stickstoffgas-Einlasstemperatur: 120°C, Stickstoffgasdurchsatz: 0,06 m3/min
    Drehzahl der Rührschaufel 7: 300 UpM
    Ein/Ausschaltintervall des Impulsstrahls 9: 1 Mal/12 s
  • Jeder der derart gewonnenen Elektrodenpartikel für die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode hatten im Zustand des Partikels niedriger Ordnung den Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und das wasserabweisende Material jeweils gleichmäßig angeordnet auf ihrer Oberfläche und sie hatten eine mittlere Partikelgröße von 5 μm. Unmittelbar nach Beendigung des Sprühvorgangs der Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyt-Lösung wurde das Sprühen der Dispersion des wasserabweisenden Materials gestartet. Daraufhin wurde nach Beendigung des Sprühens der Dispersion aus dem wasserabweisenden Material die Vorrichtung für 30 Minuten betrieben, um das Trocknen, das Granulieren und Mahlen der Partikel fortzusetzen.
  • Die Elektrodenpartikel wurden mit Ethylenglykol in Stickstoffatmosphäre gemischt, um Tintenpasten für die Katalysatorschicht für die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode zuzubereiten. Die jeweiligen Pasten für die Katalysatorschicht wurden durch Siebdrucken auf den Vorder- und Rückseiten einer Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolytmembran (Nafion 112, hergestellt von I. E. Du Pont de Nemours & Co. Inc.) mit Außenabmessungen von 20 cm × 32 cm aufgetragen, wodurch Katalysatorschichten für die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode gebildet wurden. Die Menge an Katalysatormaterial, die in jeder der derart gebildeten Katalysatorschichten enthalten war, wurde eingestellt auf 0,5 mg/cm2. Außerdem wurde die mittlere Dicke von jeder Katalysatorschicht auf 20 μm eingestellt.
  • Kohlenstoffpapier, welches später als Gasdiffusionsschicht der Elektrode dient, wurde einer wasserabweisenden Behandlung unterzogen. Insbesondere wurde ein Kohlenstoffvlies, hergestellt aus leitfähigen Kohlenstofffasern (TGP-H-120, hergestellt von Toray Industries, Inc.), mit Außenabmessungen von 16 cm × 20 cm und einer Dicke von 360 μm, mit einer wässerigen Dispersion aus einem Fluorharz (Neoflon ND1, hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES, LTD.) getränkt und daraufhin getrocknet und erwärmt bei 400°C für 30 Minuten, um wasserabweisende Eigenschaft erteilt zu bekommen. Eine Tinte, die aus einem leitfähigen Kohlenstoffpulver hergestellt war, und eine wässerige Lösung aus Polytetrafluorethylen(PTFE)-Feinpulver damit gemischt, wurde durch Rakelaufstreichen auf einer Oberfläche des Kohlenstoffvlieses aufgetragen, wodurch eine wasserabweisende Schicht gebildet wurde. Die wasserabweisende Schicht war derart gebildet, dass ein Teil der wasserabweisenden Schicht in dem Kohlenstoffvlies eingebettet war.
  • Auf den Vorder- und Rückseiten der Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran, auf der die Katalysa torschichten für die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode gebildet worden waren, ein Paar der Gasdiffusionsschichten, welche jeweils die wasserabweisende Schicht, die derart gebildet worden war, aufweist, wurden verbunden durch Heißpressen, so dass die wasserabweisenden Schichten im Kontakt mit den Katalysatorschichten sich befinden, wodurch ein Membranelektrodenaufbau (MEA) gebildet worden war. Am peripheren Abschnitt der Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolytmembran des MEA wurde ein Paar von Dichtungsplatten, jeweils aus Gummi hergestellt, angebunden und Verteileröffnungen zum Verteilen von Kühlwasser sowie Kraftstoff und Oxidansgasen wurde gebildet.
  • Separatorplatten wurden zubereitet, von denen jede aus einer harzimprägnierten Graphitplatte mit Außenabmessungen von 20 cm × 32 cm und einer Dicke von 1,3 mm besteht, die Gasströmungskanäle bzw. Kühlwasserströmungskanäle aufweist, die jeweils eine Tiefe von 0,5 mm haben. Eine Separatorplatte mit einem Oxidansgasströmungskanal wurde auf einer Seite des MEA angeordnet, und die Separatorplatte mit Brennstoffgasströmungskanal wurde auf der anderen Seite angeordnet, um eine Zelleneinheit zu erzeugen. Einhundert derartiger Zelleneinheiten wurden über einander angeordnet mit einer Separatorplatte mit Nuten als Kühlwasserströmungskanal auf der Rückseite davon vorgesehen, eingesetzt zwischen jeweils zwei Zellen, und sie wurden in einen Zellenstapel zusammengebaut. An jedem der beiden Enden des Zellenstapels wurde eine Endplatte angeordnet, zusammen mit einer Stromkollektorplatte, hergestellt aus Edelstahl, und einer elektrisch isolierenden Platte, und die beiden Platten wurden mittels Klemmspangen fixiert. Der angelegte Klemmdruck betrug pro Einheitsfläche der Separatorplatte 15 kgf/cm2.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Eine Brennstoffzelle wurde unter Verwendung eines Elektrodenpartikels zusammengebaut, der in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt war, mit der Ausnahme, dass die Dispersion des wasserabweisenden Materials nicht gesprüht wurde.
  • Verbleichsbeispiel 2
  • Eine Kraftstoffzelle wurde unter Verwendung eines Elektrodenpartikels zusammengebaut, der in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt worden war, mit der Ausnahme, dass das Sprühen der Lösung aus Wasserstoffionen-leitfähigem Polymerelektrolyt durchgeführt wurde nach dem Sprühen der Dispersion aus dem wasserabweisenden Material.
  • Verbleichsbeispiel 3
  • Katalysatorpartikel wurden mit einem Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyten beschichtet und mit einem wasserabweisenden Material, und zwar unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass eine gemischte Lösung verwendet wurde, die im vornherein zubereitet worden war durch Mischen der Gesamtmengen der Lösung aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und der Dispersion aus dem wasserabweisenden Material.
  • Vergleichsbeispiel 4
  • Zwei Sprühdüsen wurden in der Vorrichtung angeordnet und Katalysatorpartikel wurden mit einem Wasserstoffionen leitfähigen Polymerelektrolyten und einem wasserabweisenden Material aufgetragen durch gleichzeitiges Sprühen der Lösung aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und der Dispersion aus dem wasserabweisenden Material aus den jeweiligen Sprühdüsen.
  • Jede der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, die in Beispiel 1 und in den Vergleichsbeispielen 1, 2, 3 und 4 hergestellt worden waren, wurden auf 80°C gehalten und Wasserstoffgas, das befeuchtet und erwärmt worden war, um einen Taupunkt von 95°C aufzuweisen, wurde in die Brennstoffelektrode gefüllt, und Luft, die befeuchtet und erwärmt worden war, um einen Taupunkt von 70°C aufzuweisen, wurde der Luftelektrode zugeführt. Daraufhin wurde jede Brennstoffzelle unter den Bedingungen einer Brennstoffnutzungsrate von 70% und einer Luftnutzungsrate von 40% betrieben, um die Strom-Spannungskennlinie zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt.
  • 3 zeigt, dass die Polarisationscharakteristik der Zelle des Vergleichsbeispiels 1 derjenigen der Zelle des Beispiels 1 unterlegen war. Es wird davon ausgegangen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Wasserhandhabung unzureichend war, weil die Katalysatorschicht des Vergleichsbeispiels 1 kein wasserabweisendes Material enthält. Andererseits zeigt jede der Zellen der Vergleichsbeispiele 2, 3 und 4 eine noch stärker unterlegene Polarisationskennlinie. Der Grund war voraussichtlich, dass die am weitesten außenliegende Oberfläche des Katalysatorpartikels, d. h., derjenige Teil der Oberfläche des Katalysatormetalls, wie etwa Platin, in unerwünschter Weise mit dem wasserabweisenden Material beschichtet war, weil der Wasserstoffionen-leitfähige Polymerelektro lyt und das wasserabweisende Material gleichzeitig gesprüht worden waren, bzw. weil der Wasserstoffionen-leitfähige Polymerelektrolyt gesprüht wurde, nachdem das wasserabweisende Material gesprüht worden war.
  • In den vorstehend genannten Beispielen wurde die Tintenpaste für die Katalysatorschicht durch Mischen eines Elektrodenpartikels mit Ethylenglykol zubereitet. Es hat sich bestätigt, dass die Verwendung von Butanol, Isopropanol, Hexan bzw. Heptan als Medium zur Zubereitung der Tintepaste für die Katalysatorschicht ein ähnlich hohes Leistungsvermögen erzielte.
  • Beispiel 2
  • Unter Verwendung derselben Vorrichtung und derselben Materialien wie in Beispiel 1 wurden Katalysatorpartikel für eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode mit einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und einem wasserabweisenden Material beschichtet. Nach Beendigung des Sprühens einer Lösung aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyt wurde die Vorrichtung für 30 Minuten betrieben, um die Betriebsvorgänge der Rührschaufel und der Sprühdüsen fortzusetzen und Stickstoffgas zuzuführen. Eine Dispersion aus dem wasserabweisenden Material wurde daraufhin auf die Katalysatorpartikel sprühgetrocknet in derselben Weise wie im Fall des Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten. Die Katalysatorpartikel wurden als solches mit dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und dem wasserabweisenden Material auf die Oberfläche hiervon aufgetragen. Daraufhin wurde ein MEA in derselben Weise wie im Beispiel 1 erzeugt. Die Zelleneinheit, die in diesem Beispiel erzeugt worden war, zeigt eine ähnliche Entladekennlinie wie diejenige der Zelleneinheit des Beispiels 1.
  • Beispiel 3
  • Unter Verwendung derselben Vorrichtung und derselben Materialien wie in Beispiel 1 wurden Katalysatorpartikel für eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode jeweils mit einem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und einem wasserabweisenden Material beschichtet. Nach Beendigung des Sprühens einer Lösung aus dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyt wurde die Vorrichtung für 30 Minuten betrieben. Daraufhin wurden die Katalysatorpartikel aus der Vorrichtung entnommen und für 12 Stunden oder länger in einer trockenen Stickstoffatmosphäre stehen gelassen. Die Katalysatorpartikel wurden daraufhin erneut in die Vorrichtung zugeführt und eine Dispersion aus dem wasserabweisenden Material wurde auf die Katalysatorpartikel in derselben Weise sprühgetrocknet, wie bei der Verwendung des Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyten. Die Katalysatorpartikel wurden als solche mit dem Wasserstoffionen-leitfähigen Polymerelektrolyten und dem wasserabweisenden Material auf die Oberfläche hiervon aufgetragen. Daraufhin wurde ein MEA in derselben Weise wie im Beispiel 1 erzeugt. Die in diesem Beispiel erzeugte Zelleneinheit zeigte eine ähnliche Entladekennlinie wie diejenige der Zelleneinheit des Beispiels 1.
  • Vergleichsbeispiel 5
  • Perfluorschwefelsäure-Lösung in einer Konzentration von 20 Gew.-% (SE 20092, hergestellt von E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc.) wurde als Lösung für einen Wasserstoffionen leitfähigen Polymerelektrolyten verwendet. 20 Gew.-% des Lösungsmittels der Lösung bestand aus Wasser und der Rest aus Ethanol und Propanol. Zwei Sprühdüsen wurden in der Vorrichtung angeordnet. Die Lösung aus einem Wasserstoffionenleitfähigen Polymerelektrolyten und eine Dispersion aus einem wasserabweisenden Material wurden gleichzeitig aus den jeweiligen Sprühdüsen versprüht. Nach Beendigung des Sprühens wurde die Vorrichtung für 2 Stunden betrieben und daraufhin wurden die Katalysatorpartikel der Vorrichtung entnommen. Zu diesem Zeitpunkt wurde festgestellt, dass ein Teil der Alkohole, die in den Poren des elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulvers zurückblieben, das als Träger dient, zu brennen beginnen. Dies wurde darauf zurückgeführt, dass der Katalysator die Alkohole veranlasst hat, mit dem Sauerstoff in Luft zu reagieren. Eine Evaluierung eines MEA, der unter Verwendung des Katalysatorpartikels hergestellt wurde, zeigte unzureichendes Leistungsvermögen.
  • Um ein derartiges Brennen von Alkoholen zum Zeitpunkt des Entnehmens der granulierten Partikel aus der Vorrichtung zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass 99% oder mehr der Lösungsmittel oder des Dispersionsmediums der Lösung bzw. Dispersion aus dem Polymerelektrolyten und die Lösung aus der Dispersion des wasserabweisenden Materials, die jeweils für den Sprühvorgang verwendet werden, aus Wasser bestehen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf aktuell bevorzugte Ausführungsformen erläutert wurde, wird bemerkt, dass diese Offenbarung nicht als beschränkend anzusehen ist.

Claims (8)

  1. Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer Katalysatorschicht, aufweisend: Einen Katalysatorpartikel mit einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver, das einen Platingruppenmetallkatalysator trägt; einen leitfähigen Wasserstoffionenpolymerelektrolyten; und ein Wasser abweisendes Material, wobei der Katalysatorpartikel mit dem leitfähigen Wasserstoffionenpolymerelektrolyten auf einer Oberfläche beschichtet ist und das Wasser abweisende Material an einer Außenseite des Katalysatorpartikels angebracht ist, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist, wobei der Katalysatorpartikel, der leitfähige Wasserstoffionenpolymerelektrolyt und das Wasser abweisende Material einen granulierten Partikel bilden.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Mengen an leitfähigem Wasserstoffionenpolymerelektrolyt und Wasser abweisendem Material in dem granulierten Partikel 40 bis 120 Gewichtsteile bzw. 5 bis 30 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Katalysatorpartikel betragen.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, aufweisend die Schritte: (a) Sprühen einer Lösung oder Dispersion aus einem leitfähigen Wasserstoffionenpolymerelektrolyten in eine trockene Atmosphäre, in der ein Katalysatorpartikel mit einem elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpulver, das einen Platingruppenmetallkatalysator trägt, strömt, wodurch der Katalysatorpartikel mit dem Polymerelektrolyten beschich tet wird; und (b) Sprühen einer Lösung oder Dispersion aus einem Wasser abweisendem Material in eine trockene Atmosphäre, in der der Katalysatorpartikel, der mit dem Polymerelektrolyt beschichtet ist, strömt, wodurch das Wasser abweisende Material an dem Katalysatorpartikel angebracht wird, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt (a) Zerkleinern des mit dem Polymerelektrolyten beschichteten Katalysatorpartikels umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Schritt (b) Zerkleinern des Katalysatorpartikels umfasst, der mit dem Polymerelektrolyten beschichtet ist und an dem das Wasser abweisende Material angebracht ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, außerdem aufweisend Granulieren des Katalysatorpartikels in Kombination mit dem Zerkleinern und Wiederholen des Zerkleinerns und des Granulierens.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, außerdem aufweisend Granulieren des Katalysatorpartikels in Kombination mit dem Zerkleinern und Wiederholen des Zerkleinerns und des Granulierens.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei ein Lösungsmittel oder ein Dispersionsmedium aus der Lösung oder Dispersion eines leitfähigen Wasserstoffionenpolymerelektrolyten und eine Lösung oder ein Dispersionsmedium aus der Lösung oder Dispersion eines Wasser abweisenden Materials hauptsächlich aus Wasser bestehen.
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