DE102015117740B4

DE102015117740B4 - Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE102015117740B4
Application number: DE102015117740.4A
Authority: DE
Inventors: Kenji Tsubosaka; Hiroo Yoshikawa; Tsunemasa Nishida; Nobuaki Mizutani; Takeaki SAITOU; Junji Nakanishi; Masato HAMANO
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: CA2908258C; US9991538B2; JP6135641B2; CN105591114A; CN105591114B; KR20160055068A; CA2908258A1; KR101747544B1; US20160133946A1; DE102015117740A1; JP2016091874A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung (20), die eine Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) aufweist, die auf einer Fläche einer Elektrolytmembran (22) ausgebildet ist, wobei das Verfahren aufweist:
(a) Herstellen (S200 - S230) einer Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) durch Trocknen einer Katalysatortinte, die Trägerpartikel mit einem darauf gelagerten Katalysatormetall, ein Lösungsmittel und ein Ionomer enthält; und
(b) Auswählen (S240 - S250) einer gemäß (a) hergestellten Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24), die eine Menge an Sulfationen enthält, die gleich oder geringer ist, als ein bestimmter Referenzwert (Ar), und Herstellen (S500) der Membranelektrodenanordnung (20) unter Verwendung der ausgewählten Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung, die bei einer Brennstoffzelle verwendet wird.
Stand der Technik
Eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die bei einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist ein Stromerzeugungselement, das eine Elektrolytmembran und Elektroden (Anoden und Kathode) umfasst, die an jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran ausgebildet sind. Jede der Elektroden hat eine Elektrodenkatalysatorschicht, die mit der Elektrolytmembran in Kontakt steht, sowie eine Gasdiffusionsschicht, die auf der Elektrodenkatalysatorschicht ausgebildet ist. Beispielsweise beschreibt die JP 2013-182682 A ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung, bei dem Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten sequentiell auf einer Elektrolytmembran gestapelt werden.
Ein Fluorharz (beispielsweise Nafion (eingetragene Marke)), das ein hochmolekulares Polymer mit einer Schwefelsäuregruppe (-SO₃H) als eine Endgruppe darstellt, wird häufig als ein Elektrolytmaterial, oder genauer gesagt als Ionomer, das in einer Elektrodenkatalysatorschicht enthalten ist, verwendet. Es ist wahrscheinlich, dass sich das hochmolekulare Polymer von seiner Endgruppe her verschlechtert (zersetzt). Eine radiale Zersetzung durch einen chemischen Vorgang während der Stromerzeugung, als der Messfaktor, kann eine Zersetzung der Schwefelsäuregruppe des Ionomers in der Elektrodenkatalysatorschicht verursachen, und dadurch die Sulfationen (SO₄ ^2-) vermehren. Dies kann den pH-Wert in der Brennstoffzelle, oder genauer gesagt in der Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelle, senken, wodurch eine saure Umgebung entsteht und eine Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht verursacht wird. Ein Vergiften der Elektrodenkatalysatorschicht kann zu einer Abnahme der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und einer Zunahme der Impedanz einer Elektrode, die aus der Elektrodenkatalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht besteht, führen, und somit zu einer Abnahme der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle führen. Ein Radikalenfänger (beispielsweise Ceroxid), der in der Gasdiffusionsschicht der Membranelektrodenanordnung enthalten ist, kann verwendet werden, um eine Zunahme der Sulfationen während der Stromerzeugung zu unterdrücken.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben herausgefunden, dass die Schwefelsäuregruppe des Ionomers durch die Wirkung des Katalysators und die während des Herstellungsprozesses der Elektrodenkatalysatorschicht, genauer gesagt während des Trocknungsprozesses derselben, aufgebrachte Wärme, zersetzt wird und Sulfationen (SO₄ ^2-) erzeugt, wodurch die Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht verursacht wird. Dies verursacht eine Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht auch in einem Anfangszustand einer Brennstoffzelle (oder genauer gesagt der Membranelektrodenanordnung), und verursacht Probleme wie eine Verringerung der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und einen Anstieg der Impedanz der Elektrode, die aus der Elektrodenkatalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht besteht.
In der JP 2013-182682 A steht nichts geschrieben, dass die während des Herstellungsprozesses der Elektrodenkatalysatorschicht erzeugten Sulfationen die Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht bereits in einem Anfangszustand der Brennstoffzelle (der Membranelektrodenanordnung) verursachen, und Probleme wie eine Verringerung der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und einen Anstieg der Impedanz der Elektrode, die aus der Elektrodenkatalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht besteht, verursachen.
Aus der WO 2014/103 101 A1 ist schließlich ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht durch Trocknen einer Katalysatortinte bekannt, die Katalysator tragende Partikel mit einem darauf gelagerten Katalysatormetall, ein Lösungsmittel und ein Ionomer enthält.
KURZFASSUNG
Um zumindest einen Teil der vorstehend genannten Probleme zu lösen, kann die Erfindung entsprechend der nachfolgend beschriebenen Aspekte ausgeführt werden.

(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung, die eine Elektrodenkatalysatorschicht aufweist, die auf einer Fläche einer Elektrolytmembran ausgebildet ist, vorgeschlagen. Dieses Herstellungsverfahren weist auf: (a) Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht durch Trocknen einer Katalysatortinte, die Katalysator tragende Partikel bzw. Trägerpartikel mit einem darauf gelagerten Katalysatormetall, ein Lösungsmittel und ein Ionomer enthält; und (b) Auswählen einer gemäß (a) hergestellten Elektrodenkatalysatorschicht, die eine Menge an Sulfationen enthält, die gleich oder geringer ist, als ein bestimmter Referenzwert, und Herstellen der Membranelektrodenanordnung unter Verwendung der ausgewählten Elektrodenkatalysatorschicht.

Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß diesem Aspekt wird eine hergestellte Elektrodenkatalysatorschicht, die eine geringe Menge an Sulfationen enthält, die gleich oder geringer ist, als der bestimmte Referenzwert, gewählt und die Membranelektrodenanordnung unter Verwendung der ausgewählten Elektrodenkatalysatorschicht hergestellt. Dies verhindert, dass die Membranelektrodenanordnung einer so hergestellten Brennstoffzelle, welche die hergestellte Membranelektrodenanordnung nutzt, vergiftet wird und löst die Probleme wie die Verringerung der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und den Anstieg der Impedanz der Elektrode der Membranelektrodenanordnung.

(2) Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß dem vorstehend genannten Aspekt kann der Referenzwert eine Menge an Sulfationen sein, die einem Wendepunkt einer Ausgabestromdichte entspricht, die anhand einer vorab spezifizierten Beziehung zwischen einer Menge an Sulfationen, die in der Katalysatorschicht in einem unbenutzten Zustand enthaltenen sind, und einer Ausgabestromdichte einer die Elektrodenkatalysatorschicht verwendenden Brennstoffzelle erhalten wird.

Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß diesem Aspekt ist der Referenzwert auf einen Wert eingestellt, der ein Vergiften der Elektrodenkatalysatorschicht unterdrückt und Probleme wie die Verringerung der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und den Anstieg der Impedanz der Elektrode der Membranelektrodenanordnung löst.

(3) Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß dem vorstehend genannten Aspekt kann der Referenzwert 0,33µg/cm² sein.

Figurenliste

1 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform, die bei einer Brennstoffzelle verwendet wird, beschreibt;
2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Herstellungsprozess einer Elektrodenkatalysatorschicht beschreibt;
3 zeigt eine Darstellung, die ein Beispiel eines Prozesses zum Beschichten einer Bahn mit Katalysatortinte, sowie eines Prozesses zum Trocknen einer aufgebrachten Schicht der Katalysatortinte darstellt;
4 zeigt eine Darstellung, die ein Beispiel einer Trocknungstemperaturhistorie in einem Trocknungsofen darstellt;
5 zeigt eine Darstellung, die ein anderes Beispiel einer Trocknungstemperaturhistorie in einem Trocknungsofen darstellt;
6 zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen einer Trocknungszeitdauer und der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht darstellt;
7 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Prüfprozess der Elektrodenkatalysatorschicht beschreibt;
8 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Messen der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht zeigt;
9 zeigt eine Darstellung, die ein Beispiel einer Analysevorrichtung zum Analysieren der Ionenkomponenten durch Ionenchromatographie zeigt;
10 zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Menge an Sulfationen, die in einer Elektrodenkatalysatorschicht enthalten sind, und einer Ausgabestromdichte einer Brennstoffzelle zeigt, die diese Elektrodenkatalysatorschicht nutzt;
11 zeigt eine Darstellung einer katalysatorbeschichteten Membran, die unter Verwendung einer Elektrolytmembran und Elektrodenkatalysatorschichten hergestellt wurde;
12 zeigt eine Darstellung einer Membranelektrodenanordnung, die unter Verwendung der katalysatorbeschichteten Membran und Gasdiffusionsschichten hergestellt wurde; und
13 zeigt eine Darstellung einer Brennstoffzelle, die unter Verwendung der Membranelektrodenanordnung hergestellt wurde.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt, die in einer Brennstoffzelle Anwendung findet. Dieses Herstellungsverfahren bereitet eine Elektrolytmembran vor (Schritt S100), bereitet Elektrodenkatalysatorschichten vor (Schritt S200), erzeugt eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) unter Verwendung der vorbereiteten Elektrolytmembran und Elektrodenkatalysatorschichten (Schritt S300), bereitet Gasdiffusionsschichten (GDL) vor (Schritt S400) und erzeugt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) unter Verwendung der hergestellten katalysatorbeschichteten Membran und der vorbereiteten Gasdiffusionsschichten (Schritt S500) wie nachfolgend im Detail beschrieben wird.
Die in Schritt S100 vorbereitete Elektrolytmembran ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschharzmembran, die aus einem Ionomer mit einer Schwefelsäuregruppe als Endgruppe besteht, ähnlich wie das Ionomer, das in einer später beschriebenen Elektrodenkatalysatorschicht enthalten ist. Diese Ausführungsform verwendet eine Nafion-Membran bestehend aus Nafion (eingetragene Marke) als Elektrolytmembran.
In Schritt S200 werden Elektrodenkatalysatorschichten durch das Herstellen von Elektrodenkatalysatorschichten und Prüfen der hergestellten Elektrodenkatalysatorschichten, wie nachfolgend beschrieben, vorbereitet.
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Herstellungsprozess für die Elektrodenkatalysatorschicht zeigt. In Schritt S210 wird eine Katalysatortinte vorbereitet. Die Katalysatortinte kann beispielsweise durch den nachfolgenden Prozess hergestellt (bereitet) werden. Katalysator tragende Partikel bzw. Trägerpartikel werden mit Wasser (Ionenaustauschwasser) vermischt und anschließend mit einer Mehrzahl von hydrophilen Lösungsmitteln (nachfolgend einfach als „Lösungsmittel“ bezeichnet), beispielsweise Ethanol und Propanol, und einem vorbereiteten Ionomer vermischt. Die resultierende Mixtur wird dann, beispielsweise unter Verwendung eines Ultraschall-Homogenisierers oder einer Kegelmühle, verteilt, wodurch die Katalysatortinte erzeugt wird. Der vorstehende Prozess ist jedoch nicht beschränkend und die Katalysatortinte kann anhand verschiedener anderer herkömmlicher Techniken erzeugt werden.
Die Katalysator tragenden Partikel können beispielsweise anhand des nachfolgenden Prozesses hergestellt werden. Leitfähige Trägerpartikel, die geeignet sind, ein Katalysatormetall zu tragen, werden in einer Lösung des Katalysatormetalls verteilt und Katalysator tragende Partikel bzw. Trägerpartikel werden durch ein Imprägnierverfahren, ein Kopräzipationsverfahren, ein Ionenaustauschverfahren oder dergleichen erzeugt. Die Trägerpartikel können aus verschiedenen Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoffpulvern) ausgewählt werden. Beispielsweise können Ruß oder Kohlenstoffnanoröhrchen für die Trägerpartikel verwendet werden. Das verwendete Katalysatormetall kann Platin oder eine Platinverbindung (beispielsweise eine Platin-Kobalt-Legierung oder eine Platin-NickelLegierung) sein. Das für die Herstellung der Elektrodenkatalysatorschicht verwendete Ionomer ist ein protonenleitfähiges Elektrolytmaterial mit einer Schwefelsäuregruppe als Endgruppe. Diese Ausführungsform verwendet ähnlich wie die Elektrolytmembran Nafion (eingetragene Marke) für das Ionomer. Der vorstehend beschriebene Prozess ist jedoch nicht beschränkend, und die Katalysator tragenden Partikel können vermittels verschiedener anderer herkömmlicher Techniken hergestellt werden.
Der Herstellungsprozess beschichtet anschließend eine Bahn (ein sogenanntes „Basismaterial“) mit der Katalysatortinte, um eine aufgetragene Schicht der Katalysatortinte in Schritt S220 zu erzeugen, und trocknet die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte, um eine Elektrodenkatalysatorschicht auf der Bahn in Schritt S230 zu erzeugen.
3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Prozesses zum Beschichten einer Bahn mit der Katalysatortinte und des Prozesse zum Trocknen der aufgetragenen Schicht der Katalysatortinte zeigt. Wie in 3 dargestellt ist, wird in Schritt S220 eine lange Bahn BS von einer Bahnrolle BSr abgerollt und mit der Katalysatortinte unter Verwendung einer Beschichtungsvorrichtung (beispielsweise einer Matrizenbeschichtungsvorrichtung) 50 beschichtet, so dass eine aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat auf der Bahn BS ausgebildet wird.
Erneut Bezug nehmend auf 2 wird in Schritt S230 die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat, die auf der Bahn BS ausgebildet ist, in einem Trocknungsprozess (Heizprozess) in einem Trocknungsofen 60 getrocknet, so dass eine Elektrodenkatalysatorschicht Lct auf der Bahn BS ausgebildet wird. Die Bahn BS mit der darauf auf der Oberfläche ausgebildeten Elektrodenkatalysatorschicht Lct wird auf einer Rolle als Elektrodenkatalysatorschichtrolle Csr aufgerollt.
4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Trocknungstemperaturhistorie in einem Trocknungsofen zeigt. Die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat wird in den Trocknungsofen 60 von 3 eingebracht und entsprechend einer Trocknungstemperaturhistorie, die in dem Trocknungsofen 60 eingestellt wurde, sequentiell auf Trocknungstemperaturen erhitzt und dadurch getrocknet. Bei dem Beispiel der Trocknungstemperaturhistorie aus 4 umfasst die Katalysatortinte drei verschiedene Lösungsmittel S1, S2 und S3 sowie Wasser. Das erste Lösungsmittel S1 ist Azeton (Siedepunkt Tb1: 56,5°C), das zweite Lösungsmittel S2 ist Ethanol (Siedepunkt Tb2: 78,5°C) und das dritte Lösungsmittel S3 ist 1-Propanol (Siedepunkt Tb3: 97,2°C).
Der Trocknungsprozess trocknet sequentiell die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat im Trocknungsofen 60. Die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat wird zuerst für eine erste Zeitspanne (eine sogenannte „erste Trocknungszeitspanne“) ps1 bei einer ersten Temperatur (auch als „erste Trocknungstemperatur“ bezeichnet) Ts1 getrocknet, die niedriger als der erste Siedepunkt Tb1 des ersten Lösungsmittels S1 ist. Die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat wird anschließend für eine zweite Trocknungszeitspanne ps2 bei einer zweiten Trocknungstemperatur Ts2, die höher als die erste Siedetemperatur Tb1 aber niedriger als die zweite Siedetemperatur Tb2 des zweiten Lösungsmittels S2 ist, getrocknet. Die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat wird dann für eine dritte Trocknungszeitspanne ps3 bei einer dritten Trocknungstemperatur Ts3, die höher als die zweite Siedetemperatur Tb2 jedoch niedriger als die dritte Siedetemperatur Tb3 ist, getrocknet. Als Ergebnis werden die drei verschiedenen Lösungsmittel S1, S2 und S3 entsprechend verdampft. Während des Verdampfens dieser drei unterschiedlichen Lösungsmittel S1, S2 und S3 wird auch das in der Katalysatortinte enthaltene Wasser verdampft. Dies trocknet die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat nahezu vollständig (zu etwa 95% oder mehr bei dieser Ausführungsform) aus. Die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat wird abschließend für eine Zeitspanne ps4 bei einer Heiztemperatur Ts4 (beispielsweise 140°C) erhitzt, die höher als der dritte Siedepunkt Tb3 und als der Siedepunkt Tb4 von Wasser (100°C) ist, aber nicht höher als eine obere Grenztemperatur (beispielsweise 150°C). Diese Abfolge von Trocknungs- und Aufheizprozessen trocknet sequentiell die aufgebrachte Schicht der Katalysatortinte Licat, die in den Trocknungsofen 60 eingebracht wurde, um die Elektrodenkatalysatorschicht Lct zu bilden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird der Trocknungs- und Aufheizprozess mit dem Trocknungsofen 60 gemäß der Trocknungstemperaturhistorie (siehe 4) in Schritt S230 ausgeführt. Der Trocknungsprozess wird ausgeführt, um sequentiell die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat bei Trocknungstemperaturen Ts1, Ts2 und Ts3 zu trocknen, welche jeweils von den Siedepunkten Tb1, Tb2 und Tb3 der drei verschiedenen Lösungsmittel S1, S2 und S3 abhängen, die in der Katalysatortinte enthalten sind. Der Aufheizprozess wird anschließend ausgeführt, um die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat bei einer Heiztemperatur Ts4 zu erwärmen, die höher liegt als der höchste dritte Siedepunkt Tb3 und der Siedepunkt Tb4 von Wasser, um die Elektrodenkatalysatorschicht Lct auf der Bahn BS auszubilden.
Die dreistufigen Trocknungstemperaturen Ts1, Ts2 und Ts3 sind jeweils niedriger als die Siedepunkte Tb1, Tb2 und Tb3 der jeweiligen Lösungsmittel S1, S2 und S3 eingestellt, wie vorstehend beschrieben. Unter Berücksichtigung einiger Toleranzen sind die Trocknungstemperaturen Ts1, Ts2 und Ts3 vorzugsweise jeweils um zumindest 5°C niedriger als die Siedepunkte Tbl, Tb2 und Tb3 der jeweiligen Lösungsmittel S1, S2 und S3 eingestellt. Das Einstellen der Trocknungstemperatur derart, dass diese signifikant niedriger als der Siedepunkt ist, erhöht jedoch die Trocknungszeitspanne. Unter Berücksichtigung der Zeiteffizienz ist daher bevorzugt, dass die Trocknungstemperatur nahe an der Siedetemperatur liegt. In diesem Beispiel sind die jeweiligen Trocknungstemperaturen Ts1, Ts2 und Ts3 wie folgt um 5°C niedriger als die Siedepunkte Tb1, Tb2 und Tb3 der jeweiligen Lösungsmittel S1, S2 und S3 eingestellt: $Ts 1 = [Tb 1 - 5] = 51,5 ° C;$
$Ts2 = [Tb2 - 5] = 73,5 ° C;$
$Ts3 = [Tb3 - 5] = 92,2 ° C;$
Die Trocknungszeitspannen ps1, ps2 und ps3 bei den jeweiligen Trocknungstemperaturen Ts1, Ts2 und Ts3 sind auf Zeitspannen eingestellt, welche für die Verdampfung und das Trocknen entsprechend der Menge der jeweiligen Lösungsmittel benötigt werden. Die Trocknungszeitspannen ps1, ps2 und ps3 sowie die Heizzeitspanne ps4 werden sequentiell von der Einlassseite in Richtung zur Auslassseite im Trocknungsofen 60 eingestellt, und werden entsprechend der Länge der jeweiligen Abschnitte, die für die jeweiligen Trocknungstemperaturen Ts1, Ts2, Ts3 und Ts4 im Trocknungsofen 60 eingestellt wurden, und der Fördergeschwindigkeit bestimmt.
Die Heiztemperatur Ts4 ist nicht besonders beschränkt, solange die Heiztemperatur Ts4 höher als der Siedepunkt des Lösungsmittels mit dem höchsten Siedepunkt (dritter Siedepunkt Tb3 des dritten Lösungsmittels S3 bei diesem Beispiel) und der Siedepunkt Tb4 von Wasser ist, jedoch niedriger als die obere Grenztemperatur. Die obere Grenztemperatur ist vorzugsweise nicht höher als 150°C und besonders bevorzugt nicht höher als 145°C. Der Heizprozess bei der Heiztemperatur Ts4 kann bei Bedarf weggelassen werden. Wenn dieser Heizprozess weggelassen wird, ist jedoch bevorzugt, dass die Trocknungszeitspannen der jeweiligen Trocknungstemperaturen zum vollständigen Abtrocknen durch den Trocknungsprozess mit den dreistufigen Trocknungstemperaturen eingestellt werden.
Das Lösungsmittel mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft leichter und trocknet leichter. Nach Abschluss der Verdampfung eines Lösungsmittels erzeugt selbst ein Temperaturanstieg über den Siedepunkt des Lösungsmittels keine Sulfationen durch die „Verbrennung“ des Lösungsmittels. Dementsprechend unterdrückt der Trocknungsprozess mit dem schrittweisen Anheben der Temperaturen abhängig von den Siedepunkten der jeweiligen Lösungsmittel entsprechend der Trocknungstemperaturhistorie, wie vorstehend beschrieben, die Erzeugung von Sulfationen durch Verbrennung der Lösungsmittel, und verringert die Zeitspanne, die für das Trocknen benötigt wird.
5 ist eine Darstellung, die ein anderes Beispiel einer Trocknungstemperaturhistorie in einem Trocknungsofen zeigt. Der Zustand der Katalysatortinte ist identisch zu 4. Die Trocknungstemperaturhistorie aus 4 führt einen Trocknungsprozess mit allmählich steigenden, dreistufigen Temperaturen Ts1, Ts2 und Ts3 durch. Die Trocknungstemperaturhistorie aus 5 beendet jedoch das Trocknen nahezu (95% oder mehr) bei der ersten Trocknungstemperatur Ts1 bezüglich des ersten Lösungsmittels S1 mit dem niedrigsten Siedepunkt (im vorliegenden Beispiel Azeton), und führt anschließend den Aufheizprozess bei der Heiztemperatur Ts4 für eine Heizzeitspanne ps4m durch.
Der Trocknungsprozess gemäß der Trocknungstemperaturhistorie von 5 trocknet die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte Licat bei der Trocknungstemperatur, die abhängig vom Siedepunkt des Lösungsmittels mit dem niedrigsten Siedepunkt bestimmt wird, wodurch die Erzeugung von Sulfationen durch Verbrennung des Lösungsmittels unterdrückt wird. Die Trocknungstemperaturhistorie aus 5 benötigt mehr Zeit zum Trocknen als die Trocknungstemperaturhistorie aus 4.
Der Aufheizprozess kann auch bei der Trocknungstemperaturhistorie von 5 weggelassen werden. Wenn der Aufheizprozess weggelassen wird, ist es jedoch bevorzugt, die Trocknungszeitspanne zum vollständigen Abtrocknen bei der Trocknungstemperatur, die abhängig vom Siedepunkt des Lösungsmittels mit dem niedrigsten Siedepunkt eingestellt wird, einzustellen.
Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen enthält die Katalysatortinte drei verschiedene Lösungsmittel S1, S2 und S3 sowie Wasser. Bei einem anderen Beispiel kann die Katalysatortinte nur eine Art von Lösungsmittel und Wasser umfassen. In diesem Beispiel kann die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte bei einer Trocknungstemperatur getrocknet werden, die niedriger als der Siedepunkt dieses einzelnen Lösungsmittels ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Katalysatortinte vier oder mehr verschiedene Lösungsmittel umfassen. In diesem Beispiel kann die aufgetragene Schicht der Katalysatortinte sequentiell bei Trocknungstemperaturen getrocknet werden, die allmählich erhöht und entsprechend niedriger als die Siedepunkte der entsprechend einzelnen Lösungsmittel in der Abfolge vom Lösungsmittel mit dem niedrigsten Siedepunkt zum Lösungsmittel mit dem höchsten Siedepunkt eingestellt werden.
6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Trocknungszeitspanne und der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht zeigt. 6 zeigt die Ergebnisse der Messung von Sulfationen in den Elektrodenkatalysatorschichten, die bei einer fixierten Trocknungstemperatur von 150°C und Trocknungszeitspannen von 60 Minuten, 80 Minuten, 100 Minuten und 140 Minuten erzeugt wurden. Die Katalysatortinte ist identisch wie bei den 4 und 5. Die Menge an Sulfationen wird durch Analyse der in einem Extrakt enthaltenen Ionenkomponenten, das durch Eintauchen der Elektrodenkatalysatorschicht in warmes Wasser erhalten wird, vermittels Ionenchromatographie gemessen.
Wie in 6 gezeigt ist, unterdrückt das Einstellen der Trocknungszeitspanne auf nicht länger als 80 Minuten die Erzeugung von Sulfationen, selbst bei einer Trocknungstemperatur von 150°C, die höher als die Siedepunkte der Lösungsmittel S1, S2 und S3 ist. Das Einstellen der kurzen Trocknungszeitspanne bei einer höheren Trocknungstemperatur als dem Siedepunkt des Lösungsmittels kann die Erzeugung von Sulfationen durch „Verbrennung“ des Lösungsmittels unterdrücken. Die Trocknungstemperatur und die Trocknungszeitspanne können entsprechend der Katalysatortinte, die verwendet wird, ermittelt werden, indem experimentell vorab die Temperatur und die Zeitspanne geprüft werden, bei welcher alle Lösungsmittel verdampfen, um eine vollständige Trocknung zu erzielen, und welche die Erzeugung von Sulfationen durch Verbrennung des Lösungsmittels unterdrücken.
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Prüfprozess der Elektrodenkatalysatorschicht zeigt. Der Prüfprozess misst die Menge von Sulfationen, die in der erzeugten Elektrodenkatalysatorschicht enthalten sind (Schritt S240), und bestimmt, ob die Menge an Sulfationen gleich oder niedriger als ein vorgegebener Referenzwert Ar [µg/cm²] ist (Schritt S250). Ein konkretes Beispiel des Referenzwerts Ar wird später beschrieben.
8 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Messen der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht zeigt. Der Prozess transferiert zunächst einen Teil der Elektrodenkatalysatorschicht Lct der Elektrodenkatalysatorschichtrolle Csr (siehe 3) auf eine Transferbahn TCS, um ein Teststück zu erhalten (Schritt S242). Verschiedene Harzbahnen wie eine Polyamid-Bahn können als die Transferbahn TCS verwendet werden. Dieses Beispiel verwendet Kapton (eingetragene Marke) als Bahn. Der Prozess stapelt die Transferbahn TCS auf einer Fläche der Elektrodenkatalysatorschicht Lct, presst die gestapelten Schichten und behandelt die gestapelten Schichten mittels einer Wärmebehandlung bei einer Heiztemperatur von 150°C für eine Heizzeitspanne von 1 Stunde, um die Elektrodenkatalysatorschicht Lct auf die Transferbahn TCS zu übertragen. Eine Probe kann durch Schneiden der übertragenen Elektrodenkatalysatorschicht Lct in Stücke von beispielsweise 39 cm² erhalten werden. Die Größe der Probe ist nicht auf diese Größe beschränkt.
Abschließend wird die erhaltene Probe in warmes Wasser getaucht, um ein Extrakt zu erhalten (Schritt S244). Bei diesem Beispiel wird ein Extrakt durch Eintauchen der Probe in 45 mL reines Wasser bei einer Temperatur von 90°C für eine Extraktionszeitspanne von 20 Stunden erhalten. Die Konditionen des Warmwassertauchbades sind nicht auf diese Konditionen beschränkt sondern können alle geeigneten Konditionen umfassen, welche eine ausreichende Extraktion der zu messenden Sulfationen aus der Elektrodenkatalysatorschicht der Probe zulassen.
Der Prozess analysiert anschließend die Ionenkomponenten in dem Extrakt durch Ionenchromatographie, um die Menge an Sulfationen (Schritt S246) zu messen. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Analysevorrichtung zum Analysieren der Ionenkomponenten durch Ionenchromatographie zeigt (auch als sogenannter „Ionenchromatograph“ bezeichnet). Diese Analysevorrichtung 100 umfasst eine Elutionsmittelpumpe 170, eine Probenschleife 160, eine Schutzsäule (guard column) 150, eine Trennsäule 140, ein Entstörelement 130, einen Leitfähigkeitsdetektor 120 sowie einen Analysecomputer 110 für die Ionenchromatographie.
Das Extrakt als die Probe wird in die Probenschleife 160 injiziert und mit dem Elutionsmittel, das durch die Elutionsmittelpumpe 170 geführt wird, durch die Schutzsäule 150 hin zur Trennsäule 140 übertragen, und wird durch die Stärke der Interaktion mit einem Füllstoff in der Trennsäule 140 (hauptsächlich ein Ionenaustauschvorgang) separiert. Das Entstörelement 130 unterdrückt die Elektronenleitfähigkeit des Elutionsmittels, um zu vermeiden, dass die elektrische Leitfähigkeit des Elutionsmittels die elektrische Leitfähigkeit der Ionenkomponente in dem Extrakt beeinträchtigt. Die durch die Trennsäule 140 separierte Ionenkomponente des Extrakts wird durch den Leitfähigkeitsdetektor 120 gemessen. Das Messergebnis des Leitfähigkeitsdetektors 120 wird durch den Analysecomputer 110 analysiert, um ein Chromatogramm auszugeben. Die Menge an Sulfationen in der Probe wird anhand dieses Chromatogramms bestimmt. Die Menge an Sulfationen, die in der gesamten Elektrodenkatalysatorschicht enthalten ist, kann durch Abschätzen des Werts, der der Größe der Elektrodenkatalysatorschicht entspricht, anhand der Menge der Sulfationen in der Probe ermittelt werden.
10 ist ein Graph, der ein Beispiel der Beziehung zwischen der Menge an Sulfationen in einer Elektrodenkatalysatorschicht und der Ausgabestromdichte einer Brennstoffzelle zeigt, welche die Elektrodenkatalysatorschicht verwendet. Die Menge der Sulfationen ist eine Menge pro Flächeneinheit der Elektrodenkatalysatorschicht (die Elektrodenkatalysatorschicht hat eine Dicke von 10 µm), die durch das vorstehend beschriebene Verfahren zum Messen der Menge an Sulfationen ermittelt wurde. Die Menge an Sulfationen kann mit einem Anstieg der Trocknungstemperatur der Katalysatortinte zunehmen und mit einer Abnahme der Trocknungstemperatur abnehmen, wie vorstehend beschrieben. Die Menge der Sulfationen kann auch mit einem Anstieg der Trocknungszeitspanne der Katalysatortinte zunehmen und mit einer Verringerung der Trocknungszeitspanne abnehmen.
Wie in 10 gezeigt ist, sinkt die Ausgabestromdichte mit einem Anstieg der Menge an Sulfationen. Genauer gesagt hat die Ausgabestromdichte eine höhere Abnahmerate, wenn die Menge an Sulfationen größer als eine bestimmte Menge an Sulfationen Ar (0,33 µg/cm² in diesem Beispiel) als Grenzlinie (Wendepunkt) ist. Die Ausgabestromdichte hat eine niedrige Abnahmerate, wenn die Menge an Sulfationen gleich oder niedriger als die bestimmte Menge an Sulfationen Ar ist. Dementsprechend unterdrückt das Steuern der Menge der Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht dahin, dass diese gleich oder niedriger als die Menge an Sulfationen Ar als der Wendepunkt ist, die Abnahme der Ausgabestromdichte, und somit die Verringerung der Ausgabe einer entsprechenden Brennstoffzelle. Die Menge der Sulfationen Ar wird auf den Referenzwert Ar eingestellt, und der Prüfprozess aus 7 bestimmt in Schritt S250, ob die gemessene Menge an Sulfationen gleich oder geringer als der Referenzwert Ar ist, wie vorstehend beschrieben.
Wenn die gemessene Menge an Sulfationen größer als der Referenzwert Ar ist, wird bestimmt, dass die Elektrodenkatalysatorschicht eine schwache Ausgabe hat, und wird als nicht verwertbares defektes Produkt (NG-Produkt) eingestuft (Schritt S260b). Wenn die gemessene Menge an Sulfationen gleich oder niedriger als der Referenzwert Ar ist, wird die Elektrodenkatalysatorschicht dagegen als eine gute Ausgabe aufweisend beurteilt und als verwendbares gutes Produkt (OK-Produkt) bewertet (Schritt S260a). Die Elektrodenkatalysatorschichtrolle Csr, die als OK-Produkt bewertet wurde, wird für die Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) verwendet, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die Menge an Sulfationen Ar als Wendepunkt (Referenzwert Ar) variiert sich entsprechend der Bedingungen zum Vorbereiten der Katalysatortinte (beispielsweise der Katalysator tragenden Partikel, Lösungsmittel und der Zusammensetzung des Ionomers) und den Bedingungen zum Eintauchen des Teststücks in warmes Wasser und kann somit experimentell ausgehend von den Bedingungen der Katalysatortinte und dem Warmwassertauchbad bestimmt werden. Der Referenzwert Ar (= 0,33 µg/cm²) in 10 ist nur ein Beispiel und es ist allgemein bevorzugt, den Referenzwert Ar in dem Bereich von 0,25 bis 0,35 einzustellen.
Bei der Prüfung der vorstehend beschriebenen Elektrodenkatalysatorschicht, wird die Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht durch Übertragen der Elektrodenkatalysatorschicht auf die Transferbahn TCS gemessen. Dies dient dazu, um eine Fläche der Elektrodenkatalysatorschicht, die mit einer Gasdiffusionsschicht bei der Herstellung der Membranelektrodenanordnung in Kontakt steht, direkt warmem Wasser im Warmwassertauchbad auszusetzen, und dadurch die Extraktionsgenauigkeit der Sulfationen an der Oberfläche zu verbessern. Wie zuletzt beschrieben wurde, ist ein Radikalenfänger (beispielsweise Ceroxid), der in der Gegenwart von Sulfationen eluiert wird und zur Vergiftung der Elektrodenkatalysator führt, in der Gasdiffusionsschicht enthalten. Die Sulfationen auf der Fläche der Elektrodenkatalysatorschicht, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, werden daher als einen besonderen Effekt zeigend angenommen. Der Heizprozess bei dem Prozess zum Übertragen der Elektrodenkatalysatorschicht auf die Transferbahn TCS wird als verstärkend für die Extraktionsgenauigkeit der Sulfationen, die in der übertragenen Elektrodenkatalysatorschicht enthalten sind, angenommen. Wie in 10 gezeigt ist, hat die Messung der Menge an Sulfationen unter Verwendung des Extrakts einer Probe, die durch Schneiden der Elektrodenkatalysatorschichtrolle Csr (Messung ohne Übertragung) erhalten wird, eine geringere Messgenauigkeit bezüglich der Menge an Sulfationen als die Messung mit Übertragung. Dies führt zu einem Fehler bei der Bestimmung der Menge an Sulfationen Ar als Wendepunkt mit hoher Genauigkeit. Eine durch den Aufheizprozess ohne Übertragung der Elektrodenkatalysatorschicht auf die Transferbahn TCS erhaltene Probe ermöglicht die Messung der Menge an Sulfationen mit hoher Genauigkeit. Das Übertragen der Elektrodenkatalysatorbahn auf die Transferbahn TCS wird jedoch bevorzugt, da die Oberfläche der Elektrodenkatalysatorschicht, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, direkt warmem Wasser zur Extraktion ausgesetzt wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in Schritt S200 aus 1 die Elektrodenkatalysatorschicht, die, wie nachfolgend beschrieben wird, für die Herstellung einer katalysatorbeschichteten Membran verwendet wird, durch das Herstellen der Elektrodenkatalysatorschicht (siehe 2 bis 4) und Prüfen der hergestellten Elektrodenkatalysatorschicht (siehe 7 bis 10) vorbereitet.
11 ist ein Diagramm, das eine katalysatorbeschichtete Membran zeigt, die unter Verwendung der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschichten hergestellt wurde. In Schritt S300 in 1 werden die Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24, die in Schritt S200 vorbereitet wurden, auf die jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran 22, die in Schritt S100 vorbereitet wurde, aufgebracht und heißgepresst. Dies schafft eine katalysatorbeschichtete Membran 21, die eine Elektrodenkatalysatorschicht 23 auf einer Fläche der Elektrolytmembran (damit verbunden) aufweist und eine Katalysatorschicht 24 auf der anderen Seite der Elektrolytmembran 22 aufweist.
In Schritt S400 aus 1 werden die Gasdiffusionsschichten, die zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung verwendet werden, vorbereitet. Die Gasdiffusionsschichten bestehen aus einem gasdurchlässigen leitfähigen Material, beispielsweise porösem Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffpapier, oder einem porösen Metallmaterial wie einem Metallgitter oder Metallschaum. Die Gasdiffusionsschichten werden mit einem Radikalenfänger (beispielsweise Ceroxid) imprägniert.
12 ist eine Darstellung, die eine Membranelektrodenanordnung zeigt, die unter Verwendung der katalysatorbeschichteten Membran und der Gasdiffusionsschichten hergestellt wird. In Schritt S500 aus 1 werden die Gasdiffusionsschichten 25 und 26, die in Schritt S400 vorbereitet wurden, auf die jeweiligen Flächen der katalysatorbeschichteten Membran 21, die in Schritt S300 vorbereitet wurde, aufgebracht und heißgepresst. Dies schafft eine Membranelektrodenanordnung 20, die eine Gasdiffusionsschicht 25 auf einer Seite der Elektrodenkatalysatorschicht 23 der katalysatorbeschichteten Membran 21 hat (damit verbunden) und eine Gasdiffusionsschicht 26 auf einer Fläche der Elektrodenkatalysatorschicht 24 der katalysatorbeschichteten Membran 21 hat. Die katalysatorbeschichtete Membran 21 kann als „Membranelektrodenanordnung“ bezeichnet werden, und die Membranelektrodenanordnung 20 kann als „Membranelektroden- und Gasdiffusionsschichtanordnung (MEGA)“ bezeichnet werden.
Zur Vereinfachung der Erläuterung zeigt 11 das Herstellen der katalysatorbeschichteten Membran ausgehend von den Elektrodenkatalysatorschichten und der Elektrolytmembran in Bahnform, und 12 zeigt das Herstellen der Membranelektrodenanordnung ausgehend von der katalysatorbeschichteten Membran und den Gasdiffusionsschichten in Bahnform. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Lange Elektrodenkatalysatorschichten können auf lange Elektrolytmembranen heißgepresst werden oder eine Mehrzahl von Elektrodenkatalysatorschichten in Bahnform kann auf eine lange Elektrolytmembran in vorgegebenen Intervallen heißgepresst werden. Zudem kann eine Mehrzahl von Gasdiffusionsschichten in Bahnform in vorgegebenen Intervallen heißgepresst werden. Dies erzeugt eine durchgängige Bahn aus einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen, die anschließend in jeweilige Stücke zerschnitten wird.
13 ist eine Darstellung, die eine Brennstoffzelle zeigt, die unter Verwendung der Membranelektrodenanordnung hergestellt wird. Eine Brennstoffzelle 10 wird durch Anordnen der Membranelektrodenanordnung 20, die in 12 gezeigt ist, zwischen einem Separator 27, der auf Seiten der Anode (Elektrodenkatalysatorschicht 23 und Gasdiffusionsschicht 25) angeordnet ist, und einem Separator 28, der auf Seiten der Kathode (Elektrodenkatalysatorschicht 24 und Gasdiffusionsschicht 26) angeordnet ist, hergestellt.
Die Separatoren 27 und 28 bestehen aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Material, beispielsweise dichtem Kohlenstoff, der durch Verdichten von Kohlenstoff erhalten wird, so dass dieser gasundurchlässig ist, oder einer pressgeformten Metallplatte. Die Oberflächen der Separatoren 27 und 28, die mit der Membranelektrodenanordnung 20 in Kontakt stehen, haben konkave und konvexe Formen, um Strömungspfade für Brenngas und Oxidationsgas zu bilden. Genauer gesagt sind Brenngasströmungspfade 27p für das Strömen von Brenngas (H2), das eine elektrochemische Reaktion an der Anode erfährt, zwischen der Gasdiffusionsschicht 25 und dem Separator 27 auf Seiten der Anode ausgebildet. Oxidationsgasströmungspfade 28, die für das Strömen von Oxidationsgas (02 oder genauer gesagt Luft mit O₂), das eine elektrochemische Reaktion auf der Seite der Kathode erfährt, sind zwischen der Gasdiffusionsschicht 26 und dem Separator 28 auf Seiten der Kathode ausgebildet.
Bei der tatsächlichen Verwendung kommen Brennstoffzellen allgemein in Form eines Brennstoffzellenstapels mit einem Stapelaufbau, bestehend aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 10, zur Anwendung, wie in 13 gezeigt.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht gemessen, und die Elektrodenkatalysatorschicht mit einer Menge an Sulfationen, die gleich oder niedriger als der vorgegebene Referenzwert Ar ist, wird für die Herstellung der Membranelektrodenanordnung verwendet. Der Referenzwert ist eine Menge an Sulfationen (beispielsweise 0,33 µg/cm²) an einem Wendepunkt der Ausgabestromdichte, der anhand einer vorab bestimmten Beziehung zwischen der Menge an Sulfationen, die in der Elektrodenkatalysatorschicht in unbenutztem Zustand enthalten sind, und der Stromausgabedichte einer Brennstoffzelle, welche die Elektrodenkatalysatorschicht verwendet, erhalten wird (wie in 10 gezeigt). Dies verhindert, dass die Elektrodenkatalysatorschicht durch Sulfationen, die in der Elektrodenkatalysatorschicht im Anfangszustand in der Brennstoffzelle, welche die Membranelektrodenanordnung verwendet, enthalten sind, vergiftet wird. Dies unterdrückt folglich die Verringerung der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und den Anstieg der Impedanz der Elektrode der Membranelektrodenanordnung, wodurch die Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle unterbunden werden kann.
Die Trocknungstemperatur ist, bei einem Prozess zum Herstellen der Elektrodenkatalysatorschicht oder genauer gesagt, bei einem Prozess zum Trocknen der aufgebrachten Schicht von Katalysatortinte, niedriger eingestellt als der Siedepunkt des Lösungsmittels, um die Erzeugung von Sulfationen durch Verbrennung des Lösungsmittels zu unterdrücken. Dies erlaubt es, die Elektrodenkatalysatorschicht derart herzustellen, dass eine verringerte Menge an Sulfationen beim Herstellungsprozess der Elektrodenkatalysatorschicht erzeugt wird. Bei dem Prozess zum Messen der Menge an Sulfationen, die in der Elektrodenkatalysatorschicht enthalten sind, und der Verwendung die Elektrodenkatalysatorschicht, welche die Menge an Sulfationen umfasst, die gleich oder niedriger als der Referenzwert ist, um die Membranelektrodenanordnung herzustellen, ist der Trocknungsprozess nicht auf den Trocknungsprozess beschränkt, der die Trocknungstemperatur der Katalysatortinte basierend auf den Siedepunkten der Lösungsmittel (siehe 4 und 5) bestimmt. Die Trocknungstemperatur ist nicht besonders beschränkt sondern kann jede Temperatur sein, welche die Katalysatortinte trocknet, um die Elektrodenkatalysatorschicht zu erzeugen. In anderen Worten: eine Elektrodenkatalysatorschicht, die anhand verschiedener allgemeiner Herstellungsverfahren erzeugt wurde, kann zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung verwendet werden.
Bei der katalysatorbeschichteten Membran 21 aus 11 und der Membranelektrodenanordnung 20 aus 12 haben beide Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 auf den jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran 22 eine Menge an Sulfationen, die gleich oder niedriger als der Referenzwert Ar (0,33 µg/cm² bei dem vorstehend genannten Beispiel) ist. Gemäß einer Abwandlung hat jedoch nur eine der Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 eine Menge an Sulfationen, die gleich oder niedriger als der Referenzwert Ar ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 durch Beschichten der Bahn BS mit Katalysatortinte und Trocknen der katalysatorbeschichteten Bahn hergestellt (wie in Schritt S220 in 2 und 3) gezeigt. Eine Abwandlung kann die Elektrodenkatalysatorschicht ohne Verwendung der Bahn BS durch direktes Beschichten der Elektrolytmembran 22 mit der Katalysatortinte und Trocknen der katalysatorbeschichteten Elektrolytmembran 22 herstellen. Diese Abwandlung bildet die Elektrolytkatalysatorschichten 23 und 24 durch Beschichten der Elektrolytmembran 22 mit Katalysatortinte und Trocknen der katalysatorbeschichteten Elektrolytmembran 22 aus, um die katalysatorbeschichtete Membran 21 auszubilden, während die Ausführungsform die Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 mit der Elektrolytmembran 22 durch Heißpressen verbindet, um die katalysatorbeschichtete Membran 21 auszubilden (siehe Schritt S300 in 1 und 11).
Bei der in 13 gezeigten Brennstoffzelle 10 sind kanalförmige Gasströmungspfade 27p und 28p in den Separatoren 27 und 28 ausgebildet, die jenseits der Membranelektrodenanordnung 20 angeordnet sind. Dieser Aufbau ist jedoch nicht beschränkend. Gasströmungspfade, beispielsweise poröse Gasströmungspfade, können separat zwischen den Separatoren und der Membranelektrodenanordnung ausgebildet werden. Derartige Gasströmungspfade können separat zwischen jedem der Separatoren und der Membranelektrodenanordnung ausgebildet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung (20), die eine Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) aufweist, die auf einer Fläche einer Elektrolytmembran (22) ausgebildet ist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Herstellen (S200 - S230) einer Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) durch Trocknen einer Katalysatortinte, die Trägerpartikel mit einem darauf gelagerten Katalysatormetall, ein Lösungsmittel und ein Ionomer enthält; und (b) Auswählen (S240 - S250) einer gemäß (a) hergestellten Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24), die eine Menge an Sulfationen enthält, die gleich oder geringer ist, als ein bestimmter Referenzwert (Ar), und Herstellen (S500) der Membranelektrodenanordnung (20) unter Verwendung der ausgewählten Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24).
Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Referenzwert (Ar) eine Menge an Sulfationen ist, die einem Wendepunkt einer Ausgabestromdichte entspricht, die anhand einer vorab spezifizierten Beziehung zwischen einer Menge an Sulfationen, die in der Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) in einem unbenutzten Zustand enthaltenen sind, und einer Ausgabestromdichte einer die Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) verwendenden Brennstoffzelle erhalten wird.
Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Referenzwert (Ar) 0,33µg/cm² ist.