NL1014696C2 - Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden. - Google Patents

Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden. Download PDF

Info

Publication number
NL1014696C2
NL1014696C2 NL1014696A NL1014696A NL1014696C2 NL 1014696 C2 NL1014696 C2 NL 1014696C2 NL 1014696 A NL1014696 A NL 1014696A NL 1014696 A NL1014696 A NL 1014696A NL 1014696 C2 NL1014696 C2 NL 1014696C2
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
electrode
ink
conducting
fuel cell
ion
Prior art date
Application number
NL1014696A
Other languages
English (en)
Inventor
Michiel Pieter De Heer
Frank Albert De Bruijn
Original Assignee
Stichting Energie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to NL1014696A priority Critical patent/NL1014696C2/nl
Application filed by Stichting Energie filed Critical Stichting Energie
Priority to AT01917981T priority patent/ATE257980T1/de
Priority to PT01917981T priority patent/PT1285475E/pt
Priority to PCT/NL2001/000225 priority patent/WO2001071840A2/en
Priority to EP01917981A priority patent/EP1285475B1/en
Priority to DK01917981T priority patent/DK1285475T3/da
Priority to US10/239,238 priority patent/US7186665B2/en
Priority to ES01917981T priority patent/ES2213110T3/es
Priority to TR2004/00346T priority patent/TR200400346T4/xx
Priority to DE60101797T priority patent/DE60101797T2/de
Priority to JP2001569917A priority patent/JP2003528438A/ja
Priority to CA002403598A priority patent/CA2403598C/en
Priority to AU2001244853A priority patent/AU2001244853A1/en
Application granted granted Critical
Publication of NL1014696C2 publication Critical patent/NL1014696C2/nl

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H01G11/28—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features arranged or disposed on a current collector; Layers or phases between electrodes and current collectors, e.g. adhesives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/38—Carbon pastes or blends; Binders or additives therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

VERVAARDIGING VAN LAGE-TEMPER ATI JIJR BRANDSTOFCEL ELEKTRODEN
De uitvinding heeft betrekking op de vervaardiging van een elektrode, waarvan de belangrijkste componenten bestaan uit een edelmetaalkatalysator en een protongeleidend polymeer.
5 Dergelijke elektroden worden onder andere toegepast in brandstofcellen die een protongeleidend polymeer membraan als elektrolyt bevatten (SPFC, Solid Polymer Fuel Cell). Een dergelijk type brandstofcel is in staat op schone, stille en efficiënte wijze chemische energie om te zetten in elektrische energie en warmte. Toepassingsmogelijkheden zijn onder andere elektrisch vervoer, warmte-krachtopwekking op een schaal van 1-250 kW en draagbare 10 apparaten.
Een dergelijke brandstofcel heeft twee elektroden, een anode en een kathode, waaraan respectievelijk een brandstof wordt geoxideerd en oxidant wordt gereduceerd. Als brandstof kan dienen waterstof, een waterstofhoudend gas of een organische verbinding, bijvoorbeeld methanol. Als oxidant wordt doorgaans zuurstof uit de lucht gebruikt.
15 De optimale werkingstemperatuur van een lage-temperatuurbrandstofcel op basis van een proton-geleidend polymeer ligt rond de 60-80°C. De meest actieve elektroden voor de oxidatie van waterstof en de reductie van zuurstof bij dergelijke temperaturen en in zuur milieu bevatten platina als katalytisch actief materiaal. Waterstofhoudende gassen die geproduceerd worden door de omzetting van een koolwaterstof in een zogenaamde reformer bevatten naast waterstof 20 onder andere ook kooldioxide en koolmonoxide. Met name koolmonoxide heeft een sterk negatieve invloed op de activiteit van platina voor de elektrochemische omzetting van waterstof in protonen. Een katalysator die een mengsel van platina en een tweede metaal, bij voorbeeld ruthenium of molybdeen, bevat, heeft over het algemeen een hogere activiteit voor de elektrochemische oxidatie van waterstof in koolmonoxide houdende gassen dan katalysatoren op basis 25 van platina. Met betrekking tot de reductie van zuurstof is bekend dat katalysatoren bestaande uit een mengsel van platina en een tweede metaal, bijvoorbeeld chroom of nikkel, een hogere activiteit kunnen hebben dan katalysatoren op basis van alleen platina.
Voor een efficiënte benutting van dure edelmetalen in brandstofcelelektroden is het van groot belang dat de oppervlakte/massa-verhouding van het gebruikte edelmetaal zo hoog mogelijk is. 30 Dit bereikt men door het edelmetaal vanuit een oplossing aan te brengen op een dragermateriaal, op een zodanige gecontroleerde wijze dat de kristalliet-diameter ca 2-4 nm bedraagt. Als dragermateriaal wordt over het algemeen koolstof gebruikt, vanwege de benodigde elektrische geleidbaarheid. Door gebruik te maken van een koolstof met een hoog oppervlak per gewichtseenheid is het mogelijk een aanzienlijke hoeveelheid edelmetaal aan te brengen per volume-eenheid 35 koolstof. Veel gebruikte dragermaterialen zijn Vulcan XC-72, een koolstofpoeder met een BET-oppervlakte van ca 250 m2/gram, Shawinigan Acetylene Black, een koolstofpoeder met een 1014596* 2 BET-oppervlakte van ca 80 m2/gram, en Black Pearls, een koolstofpoeder met een BET-oppervlakte van ca 1475 m2/gram.
Voor een hoge elektrochemische reactiesnelheid per katalytische oppervlakte-eenheid is vereist dat het katalytische oppervlak goed toegankelijk is voor de gasvormige reactanten, en voor 5 protonen en elektronen. Daarnaast moet, in het geval van de zuurstof-reductiereactie het geproduceerde water efficiënt afgevoerd kunnen worden, om zodoende de toegankelijkheid voor zuurstof hoog te houden. Voor een goede toegankelijkheid voor gasvormige reactanten dient de elektrode een zekere porositeit te bezitten, die in goed functionerende SPFC in de orde van 50% ligt. Om tot een voldoende hoge proton-geleidbaarheid te komen wordt doorgaans 10 gebruik gemaakt van elektroden die naast platina op koolstof ook hetzelfde protongeleidende polymeer bevatten als waarvan het elektrolytisch membraan vervaardigd is. Het percentage proton-geleidend polymeer dient niet te hoog te zijn, aangezien de elektronische geleidbaarheid en de gas-toegankelijkheid afhemen met toenemend gehalte aan proton-geleidend polymeer. In het algemeen is een concentratie protongeleidend polymeer van 10-50% op droge gewichtsbasis 15 , in het bijzonder 20-30% geschikt.
Een SPFC-elektrode bestaat ruwweg uit twee verschillende lagen: een dunne katalytische laag van ca 5-20 μηι dikte, waar de eigenlijke elektrochemische reactie plaatsvindt, en een dikke poreuze laag van ca. 100 - 300 pm dikte, die de elektrode-backing wordt genoemd. De functie van deze dikke laag is om het gas te distribueren naar elektrodesecties die niet tegenover een 20 gaskanaal liggen, elektronen te geleiden in laterale richting en te zorgen voor effectief water-transport van en naar de elektrode.
De katalytische laag kan ofwel op de elektrode-backing, ofwel op het elektrolytische membraan aangebracht worden. Voor het aanbrengen zijn verschillende technieken bekend, waaronder verstuiven, zeefdrukken en coaten. Om gebruik te maken van deze technieken moeten de 25 edelmetaal houdendende kooldeeltjes en het protongeleidende polymeer gedispergeerd zijn in een geschikt oplosmiddel. Deze dispersie wordt inkt genoemd. De gehele dispersie moet een reologie hebben die het mogelijk maakt om de inkt te verwerken in de gebruikte fabricage-apparatuur. Daarnaast dienen de gebruikte oplosmiddelen te verdampen op een praktische tijdschaal. Te snelle verdamping leidt tot een veranderende reologie tijdens de elektrode-30 fabricage, met als gevolgd dat de vervaardiging van elektroden niet reproduceerbaar is.
Daarnaast leidt te snelle verdamping tot klontering van vaste inkt-componenten, waardoor het fabricageproces onderbroken wordt. De gebruikte oplosmiddelen dienen echter wel bij een temperatuur van maximaal 150°C met een redelijke snelheid, maximaal 1 uur, verwijderd te kunnen worden. Boven deze temperatuur van 150°C vinden veranderingen plaats in het proton-35 geleidende polymeer in de elektrode, waardoor de protongeleiding in de elektrode afneemt.
Voor het verkrijgen van een goed gedispergeerde elektrode-inkt wordt dikwijls gebruik gemaakt van toevoegingen als binders en oppervlakte-actieve stoffen. De functie van een oppervlakte- 10146 9 6*» 3 actieve stof is om eventuele repulsies tussen het oppervlak van de gedispergeerde deeltjes en het dispergerende medium te verlagen, om zodoende een stabiele dispersie te verkrijgen. Een binder is over het algemeen een component die viscositeitsverhogend werkt.
Voorbeelden van componenten die viscositeitsverhogend werken zijn carboxymethylcellulose, 5 polyethyleenglycol, polyvinylalcohol, polyvinylpyrrolidon en andere polymere verbindingen. Als gevolg van het polymere karakter van dergelijke viscositeitsverhogende verbindingen maken deze verbindingen niet alleen deel uit van de elektrode-inkt, maar ook van de uiteindelijke elektrode. Niet alleen is deze component vervolgens een elektrodebestanddeel dat in de uiteindelijke elektrode geen functie vervult, door interactie met het edelmetaaloppervlak 10 van de actieve fase kan een dergelijke component ook een negatieve invloed hebben op de elektrochemische activiteit van de elektrode. Dit resulteert in een verlaagd vermogen per elektrode-oppervlakte.
Het Amerikaanse octrooischrift US 5,330,860 van W.Grot et al. leert dat het voor de elektrode noodzakelijke protongeleidende geperfluoreerde sulfonzuurpolymeer, zoals Nafion, kan dienen 15 als binder in de elektrodeinkt. Toevoeging van een extra viscositeitsverhogende component wordt daardoor overbodig. Volgens genoemd octrooischrift wordt als oplosmiddel gebruik gemaakt van een ether, bij voorkeur l-methoxy-2-propanol. Een dergelijk oplosmiddel heeft echter een te hoge dampspanning bij kamer temperatuur, nl. 12 mbar, waardoor tijdens het elektrodefabricageproces de viscositeit van de elektrode-inkt aan verandering onderhevig is.
20 Tevens heeft een dergelijke etherverbinding nadelige gevolgen voor de gezondheid.
Een aantrekkelijk alternatief voor het gebruik van een koolwaterstof als 1 -methoxy-2-propanol is water. Het gebruik van water als oplosmiddel in een elektrode-inkt wordt beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 5,716,437 van Denton et al.. Water heeft geen enkele invloed op de gezondheid, en zou bij geschiktheid het ideale oplosmiddel zijn voor de fabricage van 25 elektroden. Water heeft echter een te hoge dampspanning bij kamertemperatuur, nl 17 mbar. Hierdoor verandert de viscositeit van de elektrode-inkt tijdens de fabricage. Daarnaast is het zeer moeilijk om hydrofobe oppervlakken, waaronder de elektrode-backing oppervlakken die het meest gangbaar zijn voor gebruik in een SPFC, te bedrukken met een inkt op waterbasis.
De onderhavige uitvinding lost bovengenoemde problemen op. Verrassenderwijs is gebleken 30 dat een alkaandiol, in het bijzonder 1,2-propaandiol (propyleenglycol), een uiterst geschikt oplosmiddel is voor gebruik in een elektrode-inkt. In het onderstaande wordt telkens verwezen naar 1,2-propaandiol, maar andere alkaandiolen, in het bijzonder C3-C4-alkaandiolen, zoals 1,3-propaandiol, 1,2- en 1,3-butaandiol (en eventueel ethyleenglycol en diethyleenglycoi), komen eveneens in aamerking. De uitvinding betreft derhalve een elektrode-inkt die de hierboven 35 besproken gebruikelijke bestanddelen bevat, in het bijzonder een koolstofdrager of andere geschikte drager met al of niet daaraan gebonden een of meer katalysatormetalen, en een iongeleidend polymeer, waarbij het oplosmiddel ten minste voor een deel bestaat uit een ÉQ1 4696«! 4 alkaandiol, bij voorkeur 1,2-propaandiol. De uitvinding betreft tevens de met deze inkt verkrijgbare elektroden en brandstofcellen, respectievelijk condensatoren. De uitvinding is nader omschreven in de bijgaande conclusies.
De zeer lage dampspanning van 1,2-propaandiol, bij kamertemperatuur, 0.2 mbar, zorgt ervoor 5 dat tijdens het gebruik van een elektrode-inkt met 1,2-propaandiol als oplosmiddel, geen 1,2-propaandiol in merkbare hoeveelheden verdampt. De viscositeit en verwerkbaarheid van een dergelijke inkt blijft daardoor gedurende lange tijd, enige uren, constant. Daarnaast laat deze verbinding zich bij verhoogde temperatuur, 80-90°C, wel voldoende verwijderen op een tijdschaal van enkele minuten, waardoor de uiteindelijke elektrode verder verwerkt kan worden. 10 Met het oog op eventuele schadelijke gevolgen voor de gezondheid is 1,2-propaandiol een acceptabele verbinding. De giftigheid van 1,2-propaandiol is laag, zij wordt ook gebruikt voor de bereiding van voedingsmiddelen en dermatologische producten Door zijn zeer lage dampspanning is blootstelling door inademing zeer gemakkelijk te voorkomen. Tenslotte is de polariteit van de verbinding zodanig dat inkt op basis van 1,2-propaandiol gemakkelijk 15 aangebracht kan worden op zowel hydrofobe als hydrofiele oppervlakken. Hydrofobe oppervlakken als elektrodebackings kunnen hierdoor zonder teveel druk bedrukt worden met een elektrode-inkt op basis van 1,2-propaandiol. Daarnaast kan ook het elektrolytisch membraan, dat doorgaans hydrofiel is, bedrukt worden met de elektrode-inkt van deze uitvinding. Tijdens het aanbrengen van elektroden op een elektrolytisch membraan treedt over 20 het algemeen zwelling van het membraan op. Deze zwelling leidt tot het onder spanning komen te staan van de elektrode en het elektrodemembraan grensvlak. De hechting van de elektrode aan het membraan wordt door dit zwelgedrag nadelig beïnvloed. Daarnaast ontstaan kleine scheuren in de elektrode zelf, hetgeen het elektrisch contact tussen de elektrodedeeltjes nadelig beïnvloedt. De mate van zwelling hangt af van het oplosmiddel. Volgens de studie van R.S.
25 Yeo, gepubliceerd in het tijdschrift Polymer, Vol. 21, (1980), pag. 433, is de belangrijkste parameter die deze mate van zwelling bepaalt de oplosbaarheidsparameter. Voor minimale zwelling zou volgens deze studie de oplosbaarheidsparameter dicht bij 0 moeten liggen, en treedt maximale zwelling op voor oplosmiddelen met een oplosbaarheidsparameter van 10 ((cal.cm'3 )0,i). Volgens deze studie zou 1,2-propaandiol een zwelling moeten geven die 30 vergelijkbaar is met die van primaire alcoholen als 1-propanol en ethanol. In de praktijk blijkt echter dat een membraan bij opname van 1,2-propaandiol in het geheel niet zwelt, hetgeen van uitermate groot belang is voor het verkrijgen van dimensie stabiele elektroden wanneer deze direct op het membraan worden aangebracht. Als maat voor de zwelling is in dit geval de toename van de lengte van een rechthoekig stuk membraan genomen. Waar de toename in water 35 10% bedraagt en die in 1-propanol 18%, bedraagt de toename in 1,2-propaandiol 0%.
ü)014696p 5
In onderstaande voorbeelden wordt het gebruik van elektrode-inkten op basis van 1,2-propaandiol geïllustreerd en wordt getoond dat met deze elektrode-inkt gefabriceerde brandstofcellen vergelijkbaar presteren aan brandstofcellen die gefabriceerd zijn met elektrode-inkten met water als oplosmiddel. De brandstofceltesten werden onder onderstaande testcondities getest: 5 Type brandstof: waterstof
Type oxidant: lucht
Druk: 1.5 bar
Stroomdichtheid: 470 mA/cm2
Type flow: counterflow
10 Celtemperatuur: 65°C
Bevochtigingstemperatuur: 65°C
Reactant stoichiometrie waterstof/lucht: 1.5/2.0
In alle voorbeelden is het geteste elektrodeoppervlak gelijk aan 7 cm2. De fabricage is echter 15 tevens uitgevoerd tot oppervlakken van 310 cm2, zonder dat op deze schaalgrootte de elektrode- belading inhomogeen werd.
De gebruikte elektrodebackings zijn alle van het type ETEK-Elat double sided of single sided. Deze elektrodebackings bestaan uit een carbon cloth met aan een of twee zijden een micro-poreuze, hydrofobe laag. Deze laag laat zich goed beïnkten zonder dat de elektrode-inkt diep in 20 de gehele structuur doordringt. Dit diep doordringen van de elektrode-inkt heeft een nadelige invloed op het transport van zuurstof naar het elektrochemisch actieve gedeelte van de brandstofcelkathode. Tevens leidt het tot inefficiënt gebruik van de edelmetaalbevattende katalysator. Dit probleem kan evenwel optreden indien gebruik gemaakt wordt van elektrodebackings op basis van macroporeus grafietpapier, zoals verkocht door Toray. Dit grafietpapier 25 kan, na een hydrofoberingsstap, gebruikt worden als elektrodebacking in een vaste polymeer-brandstofcel (SPFC). Het geschetste probleem kan worden opgelost door toevoeging van water aan de elektrode-inkt. Zo is een elektrode-inkt waarvan de vloeistof bestaat uit 90-% water en 10% 1,2-propaandiol uitermate geschikt voor het aanbrengen van elektroden op elektrodebackings, zonder dat deze inkt diep in de elektrodebacking doordringt. Ook een vloeistof 30 bestaande uit 5% propaandiol en 95% water blijkt uitermate geschikt. Voor de hechting van deze elektrode aan het hydrofobe grafietpapier is een nabehandelingsstap benodigd, die in essentie bestaat uit een warmtebehandeling bij 130°C gedurende 1 uur. Voor een optimale brandstofcelprestatie dient deze elektrode geïmpregneerd te worden met een Nafïonoplossing die voor het merendeel uit water bestaat.
35 W14696· 6
Voorbeeld 1
Een elektrode-inkt, geschikt voor het zeefdrukken op een elektrolytisch membraan dan wel op een elektrodebacking wordt bereid als volgt:
Aan een hoeveelheid van 2.0 gram Pt/Vulcan XC72 wordt 16 gram heptaan toegevoegd. Het 5 geheel wordt goed gemengd totdat een gedispergeerd mengsel ontstaat. Onder een zachte stikstofstroom wordt het heptaan verdampt.
Een hoeveelheid van 9.6 gram 5% Nafion-oplossing, verkrijgbaar bij DuPont of Solution Technology Ine. wordt bij kamertemperatuur drooggedampt. Aan de drooggedampte Nafion wordt 9.6 gram methanol toegevoegd, en het mengsel wordt vervolgens 20 minuten in een 10 ultrasoonbad behandeld, indien nodig bij een verhoogde temperatuur van bijvoorbeeld 60°C.
Vervolgens wordt 1 gram 1,2-propaandiol toegevoegd. Ineen vacuum-rotatieverdamper wordt de methanol bij 60°C afgedampt, totdat geen destillaat meer opgevangen wordt. Het residu wordt met 1,2-propaandiol verdund tot een eindconcentratie van 7.5% Nafion in 1,2-propaan-diol, hetgeen overeenkomt met 6.4 gram oplossing.
15 Aan deze 6.4 gram 7.5% Nafion in 1,2-propaandiol wordt bij kamertemperatuur 2.0 gram 40% Pt op Vulcan toegevoegd. Het resulterende mengsel wordt bij 100°C verwarmd gedurende 2 minuten, gevolgd door een dispergeerstap gedurende een minuut. Na afkoelen in bijvoorbeeld een koelkast is de inkt gereed voor gebruik.
20 Voorbeeld 2
De volgens voorbeeld 1 bereide inkt werd met behulp van zeefdrukken op een DEK 247 zeefdrukmachine aangebracht op een elektrodebacking, gekocht bij E-TEK Ine. onder de naam single-sided ELAT-electrode-Carbon only. Na aanbrengen van de elektrode op de elektrodebacking werd de inkt gedurende 3 minuten bij 90°C onder inerte condities (stikstofatmosfeer) 25 gedroogd.
Vervolgens werd aan twee zijden van een elektrolytisch membraan, dikte 50 pm, van het type Aciplex-S1002, gekocht bij Asahi Chemical, een gezeefdrukte elektrode aangebracht middels een hete persstap (130°C, 40 kg/cm2). De aldus verkregen brandstofcel had aan beide elektroden een platinabelading van ca 0.3 mg/cm2.
30 De resulterende brandstofcel werd getest onder eerder beschreven condities. De stroom-spanningscurve van deze cel is weergegeven in Figuur 1, de spanning bij gegeven stroomdichtheid versus de tijd is weergegeven in Figuur 2.
Voorbeeld 3 35 De volgens voorbeeld 1 bereide inkt werd met behulp van zeefdrukken op een DEK 247 zeefdrukmachine aangebracht op een protongeleidend membraan van het type Nafion 115, gekocht bij DuPont de Nemours Ine, aan beide zijden, precies tegenover. Na aanbrengen van de $014696* 7 elektrode op het elektrolytisch membraan werd de inkt gedurende 3 minuten bij 90°C gedroogd onder inerte condities (stikstofatmosfeer). De resulterende membraan-elektrode combinatie werd gedurende 24 uur in 0.1 M H2S04 bewaard ter verwijdering van 1,2-propaandiol uit het membraan.
5 Vervolgens werd aan beide zijden van de membraan-elektrode combinatie tegen de gezeefdrukte elektrode een elektrodebacking aangebracht, gekocht bij E-TEK Ine. onder de naam double-sided ELAT-electrode-Carbon only, middels een hete persstap (130°C, 40 kg/cm2). De aldus verkregen brandstofcel had aan beide elektroden een platinabelading van ca 0.3 mg/cm2. Ter vergelijking werd een brandstofcel vervaardigd op een wijze identiek aan de methode 10 beschreven in voorbeeld 2, doch op een elektrode backing, gekocht bij E-TEK Ine. onder de naam double-sided ELAT-electrode-Carbon only, en gebruikmakend van een Nation 115 membraan.
Beide brandstofcellen werden getest onder de eerder beschreven condities. De stroom-spanningscurven en de gemeten spanning tegen de tijd zijn weergegeven in Figuur 3 en 4.
15 Uit de vergelijking dat zowel de prestatie op korte termijn als de stabiliteit op lange termijn voor beide aanbrengmethoden een vrijwel identiek resultaat oplevert f014696·

Claims (13)

1. Werkwijze voor de vervaardiging van een elektrode, waarbij men een inkt die ten minste een koolstofjpoeder, een ion-geleidend polymeer en een oplosmiddel bevat op een elektron- of iongeleidend substraat aanbrengt, met het kenmerk dat de inkt homogeen is 5 en het oplosmiddel voor ten minste 3 % uit een C3-C4-alkaandiolen bestaat.
2. Werkwijze conclusie 1, waarbij de alkaandiol 1,2-propaandiol is.
3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij het iongeleidende polymeer protongeleidend is.
4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij het protongeleidende polymeer een geper- 10 fluoreerd sulfonzuur is, bij voorkeur een copolymeer van tetrafluoroethyleen en perfluor- sulfoethyl-vinylether.
5. Werkwijze volgens een van de conclusies 1-4, waarbij op het koolstofpoeder een of meer katalytisch werkzame metalen zijn aangebracht.
6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de katalysator een edelmetaal of een legering van 15 een edelmetaal met een tweede metaal en eventueel een derde metaal bevat.
7. Elektrode, verkrijgbaar met de werkwijze volgens conclusie 5 of 6.
8. Elektrode volgens conclusie 7, waarbij het substraat bestaat uit een elektrodebacking.
9. Elektrode volgens conclusie 7, waarbij het substraat bestaat uit een ion-geleidend membraan.
10. Elektrode volgens conclusie 9, waarbij het iongeleidende membraan proton-geleidend is.
11. Brandstofcel, bevattende elektroden volgens een van de conclusies 7-10.
12. Elektrode, verkrijgbaar met de werkwijze volgens een van de conclusies 1-4, waarbij het substraat elektrongeleidend is.
13. Supercondensator, bevattende elektroden volgens conclusie 12. ifQI 4696«
NL1014696A 2000-03-20 2000-03-20 Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden. NL1014696C2 (nl)

Priority Applications (13)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1014696A NL1014696C2 (nl) 2000-03-20 2000-03-20 Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden.
TR2004/00346T TR200400346T4 (tr) 2000-03-20 2001-03-20 Düşük sıcaklıklı yakıt pili elektrotlarının üretimi
PCT/NL2001/000225 WO2001071840A2 (en) 2000-03-20 2001-03-20 Production of low-temperature fuel cell electrodes
EP01917981A EP1285475B1 (en) 2000-03-20 2001-03-20 Production of low-temperature fuel cell electrodes
DK01917981T DK1285475T3 (da) 2000-03-20 2001-03-20 Fremstilling af lavtemperatur-brændselscelleelektroder
US10/239,238 US7186665B2 (en) 2000-03-20 2001-03-20 Production of low-temperature fuel cell electrodes
AT01917981T ATE257980T1 (de) 2000-03-20 2001-03-20 Herstellungsverfahren von niedertemperatur- brennstoffzellenelektroden
PT01917981T PT1285475E (pt) 2000-03-20 2001-03-20 Producao de electrodos de pilhas de combustivel a baixa temperatura
DE60101797T DE60101797T2 (de) 2000-03-20 2001-03-20 Herstellungsverfahren von niedertemperatur- brennstoffzellenelektroden
JP2001569917A JP2003528438A (ja) 2000-03-20 2001-03-20 低温燃料電池電極の製造
CA002403598A CA2403598C (en) 2000-03-20 2001-03-20 Production of low-temperature fuel cell electrodes
AU2001244853A AU2001244853A1 (en) 2000-03-20 2001-03-20 Production of low-temperature fuel cell electrodes
ES01917981T ES2213110T3 (es) 2000-03-20 2001-03-20 Produccion de electrodos de pilas de combustible a baja temperatura.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1014696A NL1014696C2 (nl) 2000-03-20 2000-03-20 Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden.
NL1014696 2000-03-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL1014696C2 true NL1014696C2 (nl) 2001-09-28

Family

ID=19771040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL1014696A NL1014696C2 (nl) 2000-03-20 2000-03-20 Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden.

Country Status (13)

Country Link
US (1) US7186665B2 (nl)
EP (1) EP1285475B1 (nl)
JP (1) JP2003528438A (nl)
AT (1) ATE257980T1 (nl)
AU (1) AU2001244853A1 (nl)
CA (1) CA2403598C (nl)
DE (1) DE60101797T2 (nl)
DK (1) DK1285475T3 (nl)
ES (1) ES2213110T3 (nl)
NL (1) NL1014696C2 (nl)
PT (1) PT1285475E (nl)
TR (1) TR200400346T4 (nl)
WO (1) WO2001071840A2 (nl)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10037074A1 (de) 2000-07-29 2002-02-14 Omg Ag & Co Kg Tinte zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten für PEM-Brennstoffzellen
DE10320320B4 (de) * 2003-05-06 2007-08-16 Forschungszentrum Jülich GmbH Katalysatorschicht, geeignete Katalysatorpaste, sowie Herstellungsverfahren derselben
DE10345260A1 (de) * 2003-09-29 2005-04-21 Daimler Chrysler Ag Verbesserung des Ausnutzungsgrades von Platin in PEM-Brennstoffzellen
WO2005081352A1 (en) * 2004-02-18 2005-09-01 Polyfuel, Inc. Catalyst ink, process for making catalyst ink and for preparing catalyst coated membranes
JP2006012476A (ja) * 2004-06-23 2006-01-12 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用膜−電極接合体
EP2083051B1 (en) * 2006-10-30 2011-06-29 Asahi Glass Company, Limited Liquid composition
US7981319B2 (en) * 2009-03-19 2011-07-19 Los Alamos National Security, Llc Non-aqueous liquid compositions comprising ion exchange polymers
JP5454050B2 (ja) * 2009-09-28 2014-03-26 凸版印刷株式会社 固体高分子形燃料電池の高分子電解質およびこの製造方法、ならびにこの高分子電解質を含む膜電極接合体およびこの製造方法
US9709867B2 (en) 2010-10-05 2017-07-18 Rise Acreo Ab Display device
US9494839B2 (en) * 2011-04-05 2016-11-15 Acreo Swedish Ict Ab Electrochemical device manufacturing
JP6048015B2 (ja) * 2012-09-05 2016-12-21 凸版印刷株式会社 膜電極接合体の製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01309213A (ja) * 1987-12-10 1989-12-13 Matsushita Electric Works Ltd イオン導伝膜の製法
US5415888A (en) * 1993-04-26 1995-05-16 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method of imprinting catalytically active particles on membrane
EP0945910A2 (de) * 1998-03-23 1999-09-29 Degussa-Hüls Aktiengesellschaft Membran-Elektroden-Einheit für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung
US6074692A (en) * 1998-04-10 2000-06-13 General Motors Corporation Method of making MEA for PEM/SPE fuel cell

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4568442A (en) * 1985-02-01 1986-02-04 The Dow Chemical Company Gas diffusion composite electrode having polymeric binder coated carbon layer
US5136474A (en) * 1990-04-03 1992-08-04 Giner, Inc. Proton exchange membrane electrochemical capacitors
US5211984A (en) * 1991-02-19 1993-05-18 The Regents Of The University Of California Membrane catalyst layer for fuel cells
US5982609A (en) * 1993-03-22 1999-11-09 Evans Capacitor Co., Inc. Capacitor
US5547911A (en) * 1994-10-11 1996-08-20 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process of imprinting catalytically active particles on membrane
GB9504713D0 (en) * 1995-03-09 1995-04-26 Johnson Matthey Plc Improved electrocatalytic material
JP3273591B2 (ja) * 1996-02-05 2002-04-08 本田技研工業株式会社 燃料電池用電極構造体の製造方法
US5882810A (en) * 1996-03-08 1999-03-16 The Dow Chemicalcompany Active layer for membrane electrode assembly
US5728181A (en) * 1996-11-04 1998-03-17 Motorola, Inc. Electrodes for electrochemical cells and method of making same
EP0917166B1 (en) * 1997-09-22 2007-08-01 Japan Gore-Tex, Inc. Electric double layer capacitor and process for manufacturing the same
DE19837669A1 (de) * 1998-08-20 2000-03-09 Degussa Katalysatorschicht für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
US6583022B1 (en) * 1998-08-27 2003-06-24 Micron Technology, Inc. Methods of forming roughened layers of platinum and methods of forming capacitors
EP0987552A3 (en) * 1998-08-31 2000-06-07 Pfizer Products Inc. Diarylsulfonylurea binding proteins
JP3614077B2 (ja) * 2000-03-22 2005-01-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用の電極触媒溶液およびその製造方法
DE10037074A1 (de) * 2000-07-29 2002-02-14 Omg Ag & Co Kg Tinte zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten für PEM-Brennstoffzellen
DE10037072A1 (de) * 2000-07-29 2002-02-14 Omg Ag & Co Kg Membran-Elektrodeneinheit für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE10042744A1 (de) * 2000-08-31 2002-03-28 Omg Ag & Co Kg PEM-Brennstoffzellenstapel
US6524736B1 (en) * 2000-10-18 2003-02-25 General Motors Corporation Methods of preparing membrane electrode assemblies
WO2002039533A2 (en) * 2000-11-09 2002-05-16 Ird A/S Membrane electrode assemblies for direct methanol fuel cells and methods for their production
EP1263073A1 (en) * 2001-05-31 2002-12-04 Asahi Glass Co., Ltd. Membrane-electrode assembly for solid polymer electrolyte fuel cells and process for its production
EP1387422B1 (en) * 2002-07-31 2016-04-06 Umicore AG & Co. KG Process for the manufacture of catalyst-coated substrates
ATE421775T1 (de) * 2002-07-31 2009-02-15 Umicore Ag & Co Kg Wässrige katalysatortinten und ihre verwendung für die herstellung von mit katalysator beschichteten substraten
US7189341B2 (en) * 2003-08-15 2007-03-13 Animas Technologies, Llc Electrochemical sensor ink compositions, electrodes, and uses thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01309213A (ja) * 1987-12-10 1989-12-13 Matsushita Electric Works Ltd イオン導伝膜の製法
US5415888A (en) * 1993-04-26 1995-05-16 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method of imprinting catalytically active particles on membrane
EP0945910A2 (de) * 1998-03-23 1999-09-29 Degussa-Hüls Aktiengesellschaft Membran-Elektroden-Einheit für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung
US6074692A (en) * 1998-04-10 2000-06-13 General Motors Corporation Method of making MEA for PEM/SPE fuel cell

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE WPI Section Ch Week 199005, Derwent World Patents Index; Class A85, AN 1990-032549, XP002155055 *
MAKOTO UCHIDA ET AL: "NEW PREPARATION METHOD FOR POLYMER-ELECTROLYTE FUEL CELLS", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, vol. 142, no. 2, February 1995 (1995-02-01), pages 463 - 468, XP002155036 *
MOORE R B III ET AL: "Chemical and Morphological Properties of Solution-Cast Perfluorosulfonate Ionomers", MACROMOLECULES, vol. 21, 1988, pages 1334 - 1339, XP002155037 *
WILSON M S ET AL: "HIGH PERFORMANCE CATALYZED MEMBRANES OF ULTRA-LOW PT LOADINGS FOR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELLS", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY,US,ELECTROCHEMICAL SOCIETY. MANCHESTER, NEW HAMPSHIRE, vol. 139, no. 2, 1 February 1992 (1992-02-01), pages L28 - L30, XP000461062, ISSN: 0013-4651 *
WILSON M S ET AL: "THIN-FILM CATALYST LAYERS FOR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL ELECTRODES", JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY,GB,CHAPMAN AND HALL. LONDON, vol. 22, no. 1, 1992, pages 1 - 7, XP000461070, ISSN: 0021-891X *

Also Published As

Publication number Publication date
DE60101797D1 (de) 2004-02-19
CA2403598C (en) 2007-11-06
WO2001071840A2 (en) 2001-09-27
ATE257980T1 (de) 2004-01-15
CA2403598A1 (en) 2001-09-27
PT1285475E (pt) 2004-05-31
EP1285475A2 (en) 2003-02-26
ES2213110T3 (es) 2004-08-16
AU2001244853A1 (en) 2001-10-03
US20040086773A1 (en) 2004-05-06
US7186665B2 (en) 2007-03-06
DK1285475T3 (da) 2004-04-13
EP1285475B1 (en) 2004-01-14
DE60101797T2 (de) 2005-04-28
WO2001071840A3 (en) 2001-12-06
TR200400346T4 (tr) 2004-08-23
JP2003528438A (ja) 2003-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100638498B1 (ko) 중합체 전해질 연료 전지용 막 전극 유니트, 당해 막 전극 유니트의 제조방법 및 당해 막 전극 유니트 제조용 잉크
US7132385B2 (en) High loading supported carbon catalyst, method of preparing the same, catalyst electrode including the same, and fuel cell including the catalyst electrode
US7419740B2 (en) Membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells and a process for the production thereof
JP3809038B2 (ja) 基板材料上の高分子電解質燃料電池用触媒層、該触媒層を製造するためのインキ、触媒層の製造方法、ガス拡散電極、膜触媒アセンブリー、膜電極アセンブリー
JP4553823B2 (ja) 燃料電池用電極、燃料電池用膜−電極接合体及び燃料電池システム
KR100696621B1 (ko) 연료전지용 전극기재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는막-전극 어셈블리
KR100684767B1 (ko) 연료 전지 캐소드용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 연료 전지 시스템
US20040023104A1 (en) Water-based catalyst inks and their use for manufacture of catalyst-coated substrates
CN101183718B (zh) 用于燃料电池的阴极催化剂、其制备方法以及包含它的膜电极组件和燃料电池
JP2006012832A (ja) 燃料電池用電極，これを含む燃料電池用膜−電極アセンブリと燃料電池，及び燃料電池用電極の製造方法
JP2006179445A (ja) 電極触媒、その製造方法、直接アルコール型燃料電池
NL1014696C2 (nl) Vervaardiging van lage-temperatuur brandstofcel elektroden.
Park et al. New RuO2 and carbon–RuO2 composite diffusion layer for use in direct methanol fuel cells
US20210143442A1 (en) Catalyst for fuel cell and manufacturing method thereof
JP2006019300A (ja) 燃料電池用電極，燃料電池，燃料電池用電極の製造方法
KR20060104821A (ko) 연료전지용 촉매, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는연료전지 시스템
JP6345663B2 (ja) 燃料電池用電極及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池
JP2005294175A (ja) 電極触媒層およびその製造方法
JP5204382B2 (ja) カソード触媒層、およびそれを用いた膜触媒接合体、カソードガス拡散電極、膜電極接合体ならびに高分子電解質形燃料電池
JP5057798B2 (ja) 燃料電池用電極および燃料電池
KR101128560B1 (ko) 개선된 촉매층을 갖는 연료전지용 전극의 제조방법
Miyamoto et al. Pt-Ta-Co Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells
KR20100108055A (ko) 연료전지용 전극 촉매, 그의 제조방법 및 상기 전극 촉매를포함하는 전극을 구비한 연료전지
KR100570768B1 (ko) 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지
Rodriguez-Varela et al. Electroactive alcohol-tolerant Pt-alloys

Legal Events

Date Code Title Description
PD2B A search report has been drawn up
VD1 Lapsed due to non-payment of the annual fee

Effective date: 20071001