DE102010031903B4 - Verfahren zur Steuerung einer Ionomer- und Katalysatorverteilung in einer Elektrode - Google Patents
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Abstract
Verfahren, umfassend, dass:
eine erste Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über ein Substrat (18) aufgetragen wird, wobei die erste Tinte ferner einen ersten Katalysator umfasst, der in einer Menge vorhanden ist, die 0,1 bis 40 Gewichtsprozent der ersten Tinte umfasst;
die erste Tinte getrocknet wird, um eine erste Elektrodenschicht (12) zu bilden;
eine zweite Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über die erste Elektrodenschicht (12) aufgetragen wird, wobei die zweite Tinte ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der in einer Menge vorhanden ist, die 40 bis 70 Gewichtsprozent der zweiten Tinte umfasst;
die zweite Tinte getrocknet wird, um eine zweite Elektrodenschicht (14) zu bilden;
eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, über die zweite Elektrodenschicht (14) aufgetragen wird, so dass die dritte Tinte die zweite Elektrodenschicht (14), jedoch nicht die erste Elektrodenschicht (12) benetzt und durchtränkt; und
die dritte Tinte getrocknet wird, um einen Ionomerüberzug (16) zu bilden.
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die dritte Tinte getrocknet wird, um einen Ionomerüberzug (16) zu bilden.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Ionomer- und Katalysatorverteilung in einer Elektrode, die insbesondere in einer Brennstoffzelle verwendet wird.
- HINTERGRUND
- Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als einer Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.
- Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt zwischen der Anode und der Kathode aufweist. Die Anode nimmt wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode, wo die Protonen mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen. Daher werden die Elektronen durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann beispielsweise zum Betrieb eines Fahrzeugs verwendet werden.
- Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert oder mehr Bipolarplatten aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
- Herkömmliche Verfahren zum Aufbringen von Elektrodenschichten für Brennstoffzellen sind aus den Druckschriften
DE 199 10 773 A1 ,DE 696 13 030 T2 ,US 6 696 382 B1 ,DE 10 2007 021 956 A1 undUS 2009 / 0 023 018 A1 - ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst, dass eine erste Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über ein Substrat aufgetragen wird, wobei die erste Tinte ferner einen ersten Katalysator umfasst, der in einer Menge vorhanden ist, die 0,1 bis 40 Gewichtsprozent der ersten Tinte umfasst. Die erste Tinte wird getrocknet, um eine erste Elektrodenschicht zu bilden. Eine zweite Tinte, die Kohlenstoff umfasst, wird über die erste Elektrodenschicht aufgetragen, wobei die zweite Tinte ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der in einer Menge vorhanden ist, die 40 bis 70 Gewichtsprozent der zweiten Tinte umfasst. Die zweite Tinte wird getrocknet, um eine zweite Elektrodenschicht zu bilden. Eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, wird über die zweite Elektrodenschicht aufgetragen, so dass die dritte Tinte die zweite Elektrodenschicht, jedoch nicht die erste Elektrodenschicht benetzt und durchtränkt. Die dritte Tinte wird getrocknet, um einen Ionomerüberzug zu bilden.
- Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen offensichtlich.
- Figurenliste
- Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich.
-
1 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
3 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
5 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
6 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
7 zeigt ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und einen Ionomerüberzug. -
8 zeigt einen Abschnitt einer Brennstoffzelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
- AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur.
- Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, durch das eine Elektrode und eine Membranelektrodenanordnung hergestellt werden können, bei denen die Ionomerbeladung und die Platinkatalysatorbeladung über die Dicke variieren können.
- Bei einer Ausführungsform der Erfindung, wie in
1 gezeigt ist, wird eine erste Tinte auf ein Substrat18 aufgetragen und die erste Tinte wird getrocknet, um auf dem Substrat18 eine erste Elektrodenschicht12 , die einen Katalysator aufweist, zu bilden. Das Auftragen der ersten Tinte kann zumindest eines aus Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen bzw. Rollen, Beschichten oder Sprühen der ersten Tinte aufweisen. Das Substrat18 kann zumindest eines aus einer Abziehlagen-Unterlage, einer Gasdiffusionsmediumschicht, einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfassen. Beispielsweise kann das Substrat18 eine Abziehlagen-Unterlage sein. Die Abziehlagen-Unterlage kann ein ePTFE-Abziehlagenmaterial sein. Die erste Tinte kann so hergestellt werden, dass die getrocknete erste Elektrodenschicht12 relativ hydrophob ist. - Die erste Tinte weist einen Kohlenstoffträger und einen relativ geringen Gewichtsprozentsatz an Katalysatorpulver, nämlich 0,1 bis 40 Gewichtsprozent Katalysatorpulver auf. Bei einer Ausführungsform kann der Katalysator in der ersten Tinte Platin sein. Beispielsweise kann die erste Tinte
20 Gewichtsprozent Platinkatalysatorpulver aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Substrat18 eine Elektrode sein und kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff (beispielsweise reinem Kohlenstoff) bestehen oder kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff und einem Binder bestehen und im Wesentlichen frei von einem Katalysator sein. - Wie in
2 gezeigt ist, wird eine zweite Tinte über der ersten Elektrodenschicht12 aufgetragen. Das Auftragen der zweiten Tinte kann zumindest eines aus Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen bzw. Rollen, Beschichten oder Streichen der zweiten Tinte aufweisen. Die zweite Tinte wird getrocknet, um eine zweite Elektrodenschicht14 , die einen Katalysator aufweist, zu bilden. Die zweite Tinte kann so hergestellt werden, dass die getrocknete zweite Elektrodenschicht14 relativ hydrophil ist. Die zweite Tinte weist einen relativ hohen Gewichtsprozentsatz Katalysatorpulver, nämlich 40 bis 70 Gewichtsprozent Katalysatorpulver auf. Der Prozentsatz von Katalysatorpulver in der zweiten Tinte kann größer als der Prozentsatz von Katalysatorpulver in der ersten Tinte sein. Bei einer Ausführungsform kann der Katalysator in der zweiten Tinte Platin sein. - Bei einer Ausführungsform können die erste Elektrodenschicht
12 und die zweite Elektrodenschicht14 eine Gruppe fein geteilter Partikel aufweisen, die fein geteilte Katalysatorpartikeln trägern. Die Katalysatorpartikel können Metalle, wie Platin, Palladium, und Mischungen aus Metallen aufweisen, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen, intermetallische Verbindungen und andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, die in der Technik bekannt sind. Der Katalysator kann geträgert oder ungeträgert sein. Die Trägerpartikel sind elektrisch leitend und können Kohlenstoff umfassen. Die Trägerpartikel können elektrisch leitende Makromoleküle aus aktiviertem Kohlenstoff, Kohlenstoffnanotubes- bzw. -nanoröhren, Kohlenstofffasern, mesoporöser Kohlenstoff und andere elektrisch leitende Partikel mit geeigneter Oberfläche zum Trägern des Katalysators aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Bei einer Ausführungsform braucht die erste Elektrode12 keinen Katalysator aufzuweisen. - Nun Bezug nehmend auf
3 wird eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, auf die zweite Elektrodenschicht14 aufgetragen, nachdem die zweite Elektrodenschicht14 getrocknet worden ist. Die dritte Tinte kann ein protonenleitendes Material aufweisen, wie ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die dritte Tinte kann beispielsweise eine Ionomerlösung aufweisen. Der Ionomergehalt kann variieren. Bei einer Ausführungsform kann die dritte Tinte eine Lösung mit 5 Gewichtsprozent Ionomer aufweisen. Das Auftragen der dritten Tinte kann zumindest eines aus Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen bzw. Rollen, Beschichten oder Streichen der dritten Tinte aufweisen. Die dritte Tinte kann getrocknet werden, um einen Ionomerüberzug16 über der zweiten Elektrodenschicht14 zu bilden. Die dritte Tinte ist derart ausgelegt, dass sie die zweite Elektrodenschicht14 , jedoch nicht die erste Elektrodenschicht12 , benetzt und durchdringt. Die Menge an Ionomer in der ersten Elektrodenschicht12 braucht nur aus der Herstellung der ersten Tinte und nicht aus dem Ionomerüberzug16 zu stammen. Der Ionomergehalt der dritten Tinte kann so gewählt werden, dass der gewünschte Ionomergehalt in der zweiten Elektrodenschicht14 erreicht wird. - Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie in
4 gezeigt ist, wird eine Polyelektrolytmembran20 über dem Ionomerüberzug16 angeordnet. Das Substrat18 kann eine Abziehlagen-Unterlage sein. Das Substrat18 , die erste Elektrodenschicht12 , die zweite Elektrodenschicht14 , der Ionomerüberzug16 und die Polyelektrolytmembran20 können heißgepresst werden und das Substrat18 kann abgezogen werden, um die resultierende Struktur, wie in5 gezeigt ist, zu erzeugen. - Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine mikroporöse Schicht
24 auf eine Gasdiffusionsmediumschicht22 aufgetragen werden. Die erste Elektrodenschicht12 kann über die mikroporöse Schicht24 und die Gasdiffusionsmediumschicht22 aufgetragen werden, sodass die mikroporöse Schicht24 zu der ersten Elektrodenschicht12 weist, wie in6 gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform kann die erste Elektrodenschicht12 direkt auf die mikroporöse Schicht24 aufgetragen werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Gasdiffusionsmediumschicht22 ohne die mikroporöse Schicht24 über die erste Elektrodenschicht12 aufgetragen werden. Die erste Elektrodenschicht12 kann eine kleinere Menge an Ionomer enthalten, als die zweite Elektrodenschicht14 . Indem die Menge an Ionomer nahe dem Diffusionsmedium22 niedrig gehalten wird, kann ein Massentransport verbessert werden. Die zweite Elektrodenschicht14 kann eine höhere Menge an Katalysator, beispielsweise Platin, besitzen, als die erste Elektrodenschicht12 . Die höhere Platinkonzentration nahe der Polyelektrolytmembran20 kann die Katalysatorverwendung verbessern. Die tatsächliche Menge an Ionomer, die nahe der Gasdiffusionsmediumschicht22 und nahe der Polyelektrolytmembran20 vorhanden ist, kann unabhängig gesteuert werden. Die tatsächliche Menge an Platin, die nahe dem Diffusionsmedium22 und nahe der Polyelektrolytmembran20 vorhanden ist, kann unabhängig gesteuert werden. - In Übereinstimmung mit einer oben beschriebenen Ausführungsform wurde eine erste Tinte, die 20 Gewichtsprozent Platinkatalysatorpulver aufwies, über eine Abziehlagen-Unterlage aufgetragen, die ein ePTFE-Abziehlagenmaterial aufwies. Als eine dritte Tinte, die eine Lösung mit 5 Gewichtsprozent Ionomer (verfügbar von Asahi Kasei Corporation) enthielt, auf die getrocknete erste Tinte getropft wurde, wurde das ePTFE nicht vollständig benetzt, was angibt, dass die Ionomerlösung nicht die gesamte Dicke der Elektrodenschicht durchdrungen hat. Als jedoch derselbe Test mit einer Elektrode, die unter Verwendung von 50 Gewichtsprozent Platinkatalysatorpulver hergestellt wurde, ausgeführt wurde, wurde das ePTFE sehr schnell benetzt.
- Nun Bezug nehmend auf
7 kann ein Produkt10 vorgesehen werden, das eine erste Elektrodenschicht12 umfasst, die einen Katalysator über einem Substrat18 besitzt. Das Substrat18 kann zumindest eines aus einer Abziehlagen-Unterlage, einer Gasdiffusionsmediumschicht, einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfassen. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat18 eine Abziehlagen-Unterlage. Eine zweite Elektrodenschicht14 , die einen Katalysator aufweist, kann über der ersten Elektrodenschicht12 liegen. Die erste Elektrodenschicht12 ist relativ hydrophob und die zweite Elektrodenschicht14 ist relativ hydrophil. Über der zweiten Elektrodenschicht14 ist ein Ionomerüberzug16 vorgesehen. Bei einer Ausführungsform variieren die Katalysatorbeladung und die Ionomerbeladung über die gemeinsame Gesamtdicke der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht. -
8 zeigt ein Produkt10 , das einen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels aufweist, der eine Polyelektrolytmembran20 aufweist. Auf einer Anodenseite15a ist ein Ionomerüberzug16a zwischen der Polyelektrolytmembran20 und einer zweiten Elektrodenschicht14a , die einen Katalysator aufweist, angeordnet. Eine erste Elektrodenschicht12a , die einen Katalysator aufweist, liegt über der zweiten Elektrodenschicht14a . Eine optionale mikroporöse Schicht24a liegt über der ersten Elektrodenschicht12a . Eine Gasdiffusionsmediumschicht22a liegt über der mikroporösen Schicht24a oder der ersten Elektrodenschicht12a . Eine erste Bipolarplatte26a liegt über der Anodengasdiffusionsmediumschicht22a . Die erste Bipolarplatte26a weist eine erste Fläche28a auf, die eine Mehrzahl von Stegen30a und Kanälen32a besitzt, die darin definiert sind, um ein Reaktandengasströmungsfeld bereitzustellen. Die erste Bipolarplatte26a kann eine zweite Fläche34a aufweisen, die darin geformte Kühlkanäle36a besitzt. - Ähnlicherweise ist auf einer Kathodenseite
15c ein Ionomerüberzug16c zwischen der Polyelektrolytmembran20 und einer zweiten Elektrodenschicht14c , die einen Katalysator aufweist, angeordnet. Eine erste Elektrodenschicht12c , die Kohlenstoff aufweist und die einen Katalysator aufweisen kann, jedoch nicht muss, liegt unter der zweiten Elektrodenschicht14c . Die erste Elektrodenschicht12c kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff (beispielsweise reinen Kohlenstoff) bestehen oder kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff und einem Binder bestehen und im Wesentlichen frei von einem Katalysator sein. Eine optionale mikroporöse Schicht24c liegt unter der ersten Elektrodenschicht12c . Eine Gasdiffusionsmediumschicht22c liegt unter der mikroporösen Schicht24c oder der ersten Elektrodenschicht12c . Eine zweite Bipolarplatte26c liegt unter der Kathodengasdiffusionsmediumschicht22c . Die zweite Bipolarplatte26c umfasst eine erste Fläche28c , die eine Mehrzahl von Stegen30c und Kanälen32c aufweist, die darin definiert sind, um eine Reaktandengasströmungsfeld bereitzustellen. Die zweite Bipolarplatte26c kann eine zweite Fläche34c aufweisen, die darin geformte Kühlkanäle36c aufweist. Bei einer Ausführungsform variieren auf zumindest einer der Anodenseite15a oder der Kathodenseite15c die Katalysatorbeladung und die Ionomerbeladung über die gemeinsame Gesamtdicke der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht.
Claims (3)
- Verfahren, umfassend, dass: eine erste Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über ein Substrat (18) aufgetragen wird, wobei die erste Tinte ferner einen ersten Katalysator umfasst, der in einer Menge vorhanden ist, die 0,1 bis 40 Gewichtsprozent der ersten Tinte umfasst; die erste Tinte getrocknet wird, um eine erste Elektrodenschicht (12) zu bilden; eine zweite Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über die erste Elektrodenschicht (12) aufgetragen wird, wobei die zweite Tinte ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der in einer Menge vorhanden ist, die 40 bis 70 Gewichtsprozent der zweiten Tinte umfasst; die zweite Tinte getrocknet wird, um eine zweite Elektrodenschicht (14) zu bilden; eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, über die zweite Elektrodenschicht (14) aufgetragen wird, so dass die dritte Tinte die zweite Elektrodenschicht (14), jedoch nicht die erste Elektrodenschicht (12) benetzt und durchtränkt; und die dritte Tinte getrocknet wird, um einen Ionomerüberzug (16) zu bilden.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei das Substrat (18) zumindest eines aus einer Abziehlagen-Unterlage, einer Gasdiffusionsmediumschicht, einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht oder eine Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfasst. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei das Substrat (18) eine Gasdiffusionsmediumschicht umfasst, die Kohlepapier oder Kohlenstofffilz umfasst.
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