DE10235252A1

DE10235252A1 - Auf Edelmetall basierender Metall Legierungskatalysator, Bewertung eines derartigen Katalysators, und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Katalysators

Info

Publication number: DE10235252A1
Application number: DE10235252A
Authority: DE
Inventors: Hisao Kato; Takahiko Asaoka; Kazutaka Hiroshima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2003-06-12
Also published as: JP2003045442A; CA2396615C; CA2396615A1; US7060385B2; JP5281221B2; US20030044655A1

Abstract

Die Technik der vorliegenden Erfindung erreicht eine einfache und genaue Bewertung der Leistung einer Brennstoffzelle und ermöglicht es, einen Hochleistungselektrodenkatalysator und eine Hochleistungsbrennstoffzelle herzustellen. Das Verfahren trägert Platin, ein Edelmetall, und Eisen, ein Basismetall, auf Kohlenstoff mit einer großen spezifischen Oberfläche und erhitzt den Kohlenstoff mit Platin und Eisen auf eine spezifische Temperatur, um Eisen zu reduzieren. Ein resultierender Platin-Eisen-Legierungselektrodenkatalysator übt herausragende katalytische Funktionen aus. Eine Brennstoffzelle, die diesen Elektrodenkatalysator verwendet, besitzt eine hohe IR-Kompensationsspannung. Die Menge an Kohlenmonoxid, die durch diesen neuen Elektrodenkatalysator adsorbiert wird, ist nicht geringer als 14 Ncc pro einen Gramm Platin. Das Atomzahlverhältnis von Eisen (Fe) zu Platin (Pt) in dem Katalysator ist nicht geringer als 0,14 durch EDX-Analyse, und das Verhältnis der Bindungszahl von Pt-Atomen mit Eisenatomen zu der Gesamtbindungszahl, die sich auf Pt-Atome bezieht, ist nicht geringer als 0,10 durch EXAFS-Analyse. Jeder hergestellte Elektrodenkatalysator wird durch Messung dieser Daten bewertet. Die Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator mit dem günstigen Ergebnis der Bewertung einschließt, stellt die gewünschten Leistungen sicher.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik zum Bewerten eines Elektrodenkatalysators, der auf eine Elektrode einer Brennstoffzelle fixiert ist, eine Technik zum Bewerten der Leistung einer Brennstoffzelle, einen durch die Bewertungstechnik bewerteten Elektrodenkatalysator, ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators, eine Brennstoffzelle mit einem Elektrodenkatalysator, und ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle.
Die Leistung des Elektrodenkatalysators ist ein wichtiger Faktor, der die Leistung der Brennstoffzelle beeinflusst. Viele Techniken zum Bewerten der Funktion des Elektrodenkatalysators sind zum Bewerten der Leistung der Brennstoffzelle vorgeschlagen worden. Eine Bewertungstechnik des Elektrodenkatalysators entlädt eine hergestellte Brennstoffzelle und misst das Ausstoßpotential der Brennstoffzelle. Eine andere bekannte Bewertungstechnik verwendet zyklische Voltammetrie (CV-Verfahren), welches den Elektrodenkatalysator in einer elektrolytischen Lösung einweicht und das Potential abtastet, um den elektrischen Strom zu messen. Diese Techniken des Stands der Technik zum Bewerten des Elektrodenkatalysators wenden das elektrochemische Verfahren an, das dem Elektrodenkatalysator Elektrizität zuführt.
Die Brennstoffzelle, die Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung ist, ist ein Laminat von Vielfacheinheitszellen. Jede Einheitszelle wird gebildet, indem eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) zwischen einem Paar von Separatoren dazwischengeschaltet bzw. dazwischengeschoben wird. Für die gewünschte Leistung der Brennstoffzelle muss jedes MEA des Zelllaminats die Leistung von oder über ein spezifisches Niveau besitzen. Die Bewertung des Elektrodenkatalysators nach der Herstellung der Brennstoffzelle sollte demgemäss durch die Einheit des MEA ausgeführt werden. Da die Ausgabespannung von jedem MEA schwach ist, muss sorgfältig vorgegangen werden, um eine Adhäsion von Metallionen zu verhindern. Die Bewertung des Elektrodenkatalysators nimmt demgemäss ein aufwendiges Verfahren und viel Zeit in Anspruch. Ein weiteres Problem ist, dass die Herstellung des MEA wesentlich zur Wertung des Elektrodenkatalysators ist. Die Herstellung des MEA nimmt Zeit und Arbeit in Anspruch und weist die Schwierigkeit der Regulierung der gewünschten Eigenschaften auf.
Im allgemeinen beinhaltet der Elektrodenkatalysator für die Brennstoffzelle ein Edelmetall, zum Beispiel Platin, das auf einen Kohlenstoffträger geträgert ist und mit einem Elektrolytbindemittel auf die Elektrolytmembran fixiert ist, um das MEA zu bilden. Kohlenstoff besitzt typischerweise einen Teilchendurchmesser von ungefähr 20 bis 100 nm, und primäre Teilchen von Kohlenstoff werden aggregiert, um ein Agglomerat zu bilden. Andererseits besitzt Platin einen Teilchendurchmesser von ungefähr 2 bis 3 nm, und das Elektrolytbindemittel besitzt einen Teilchendurchmesser, der größer als der Raum zwischen benachbarten Primärteilchen von Kohlenstoff ist. Das Elektrolytbindemittel kann folglich den Raum zwischen benachbarten Primärteilchen von Kohlenstoff nicht eindringen. Ein Teil des Platins trägt demgemäss nicht zur katalytischen Reaktion bei. In dem CV-Verfahren, das den Elektrodenkatalysator in einer Elektrolytlösung zur Messung des elektrischen Stroms einweicht, ist der Teilchendurchmesser der Elektrolytlösung kleiner als der Raum zwischen den benachbarten Primärteilchen von Kohlenstoff. Platin, das nicht in Kontakt mit dem Elektrolytbindemittel ist (das heißt Platin, das nicht zur katalytischen Reaktion beiträgt) wird demgemäss der Elektrolytlösung ausgesetzt. Dies führt zur Bewertung der Leistung des Elektrodenkatalysators, die das Platin einschließt, das nicht zur katalytischen Reaktion beiträgt. Das heißt die bewertete Leistung des Elektrodenkatalysators (bewertete Leistung der Brennstoffzelle) kann ungenau sein.
Die Eigenschaften der Brennstoffzelle einschließlich des Elektrodenkatalysators kann bei dem Schritt vor der Herstellung der Elektrode nicht eingeschätzt werden. Demgemäss bestehen Schwierigkeiten bei der Herstellung der Hochleistungsbrennstoffzelle. Eine große Variation der Leistung unter den jeweiligen Einheitszellen führt zu schlechten Eigenschaften eines resultierenden Brennstoffzellenstapels, der durch Laminieren einer Vielzahl von Einheitszellen erhalten wurde. Um einen Hochleistungsbrennstoffzellenstapel zu gewinnen, sollte die Leistung von jeder Einheitszelle vor dem Stapeln bewertet werden. Dies verringert die Produktionseffizienz.
Derartige Probleme sind nicht auf den Platinkatalysator oder den Legierungskatalysator beschränkt, sondern treten allgemein bei der Herstellung der Brennstoffzelle einschließlich eines beliebigen Elektrodenkatalysators auf. Ein Platin- Eisenlegierungskatalysator ist ein bekanntes Beispiel für den Legierungskatalysator (siehe zum Beispiel Japanisches Patent, veröffentlicht in der Gazette Nr. 3-68452). Keine praktischen Techniken sind vorgeschlagen worden, um die Bewertung der Leistung von derartigen Legierungskatalysatoren zu vereinfachen und zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, eine Bewertungstechnik bereitzustellen, die eine einfache und genaue Bewertung der Leistung einer Brennstoffzelle erreicht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Herstellungstechnik bereitzustellen, die die Herstellung eines Hochleistungselektrodenkatalysators und einer Hochleistungsbrennstoffzelle ermöglicht, indem von der Bewertungstechnik Vorteil genommen wird.
Um wenigstens einen Teil der vorstehenden und der anderen verwandten Aufgaben zu erreichen, zielt die vorliegende Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkatalysator, der für eine Brennstoffzelle verwendet wird, ab. Das Herstellungsverfahren beinhaltet: einen Edelmetallunterstützungsschritt, der ein Edelmetall mit einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert trägert; ein Basismetallunterstützungsschritt, der ein Basismetall mit einer spezifischen Unterstützungsdichte auf dem Kohlenstoffträger mit dem darauf geträgerten Edelmetall trägert; ein Erhitzungsschritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, auf eine spezifische Temperatur erhitzt, die die Reduktion des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetall ermöglicht; und einen legierenden Schritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall nach der Reduktion des Basismetalls auf die spezifische Temperatur aufheizt, um so das Edelmetall und das Basismetall auf dem Kohlenstoffträger zu legieren.
Es wird ein Gerät zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators, entsprechend dem Herstellungsverfahren bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung ist demgemäss auf ein Gerät zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators gerichtet, das für eine Brennstoffzelle verwendet wird. Das Gerät beinhaltet: ein Edelmetallunterstützungsmodul, das ein Edelmetall herstellt, das mit einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert geträgert ist; ein Basismetallunterstützungsmodul, das ein Basismetall herstellt, das mit einer spezifizierten Unterstützungsdichte auf den Kohlenstoffträger mit dem darauf geträgerten Edelmetall geträgert ist; ein Erhitzungsmodul, das den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, auf eine spezifische Temperatur erhitzt, die die Reduktion des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetall ermöglicht; und ein legierendes Modul, das ferner den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall nach der Reduktion des Basismetalls bei der spezifischen Temperatur aufheizt, um so das Edelmetall und das Basismetall auf dem Kohlenstoffträger zu legieren.
In dem Herstellungsverfahren für den Elektrodenkatalysator der vorliegenden Erfindung und dessen entsprechendes Gerät, werden ein Edelmetall und ein Basismetall auf den Kohlenstoffträger mit der spezifischen Oberfläche von nicht weniger als dem vorbestimmten Wert geträgert. Der Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, wird auf die spezifische Temperatur aufgeheizt, die die Reduktion des Basismetalls ermöglicht. Nach der Reduktion des Basismetalls, wird der Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall weiter aufgeheizt, so dass das Edelmetall und das Basismetall auf dem Kohlenstoffträger legiert werden. Der resultierende Elektrodenkatalysator übt die extrem hohe katalytische Aktivität aus. Eine Brennstoffzelle, die diesen Elektrodenkatalysator einschließt, besitzt das in erwünschter Weise hohe Ausgangspotential.
In einer bevorzugten Anwendung des Herstellungsverfahrens der Erfindung und dessen entsprechenden Gerät, ist das Edelmetall Platin und das Basismetall Eisen. Das Edelmetall ist nicht auf Platin beschränkt, sondern kann aus der aus Gold, Silber, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium und Iridium bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Das Basismetall ist nicht auf Eisen beschränkt, sondern kann aus der aus Nickel, Mangan, Kobalt, Chrom, Kupfer, Zink, Molybden, Wolfram, Germanium und Zinn bestehenden Gruppe ausgewählt werden. In dem Herstellungsverfahren und dem entsprechenden Gerät, das vorstehend diskutiert wurde, genauso wie in den anderen Anwendungen der Erfindung, ist die Edelmetall-Basislegierung nicht auf die binäre Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls beschränkt, sondern kann eine ternäre, quartäre oder Hyperkomplexlegierung sein, die zwei oder eine größere Zahl von Edelmetallen und zwei oder eine größere Zahl von Basismetallen einschließt.
Die spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträgers ist nicht geringer als 600 m²/g und ist weiter bevorzugt nicht geringer als 800 m²/g.
Die spezifische Temperatur wird eingestellt, um die Reduktion des Edelmetalls und des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetall sicherzustellen, aber die Reaktion des Kohlenstoffträgers zu unterdrücken und ist in einem Bereich von 400°C bis 900°C und weiter bevorzugt in einem Bereich von 500°C bis 700°C.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung gibt der Edelmetallunterstützungsschritt eine Platinkomplexlösung, zum Beispiel eine wässrige Lösung aus Platinnitratkomplex, Platinaminkomplex, Platincarboxylatkomplex oder Platinsulfitkomplex zu einer Dispersion von pulvrigem Kohlenstoff zu und mischt anschließend ein oxidierendes Mittel mit der Dispersion, die die Platinkomplexlösung einschließt.
In Übereinstimmung mit einer anderen bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung gibt der Basismetallunterstützungsschritt eine Eisensalzlösung, zum Beispiel eine Lösung von Eisennitrat, Eisenhydroxid, Eisenchlorid oder Eisensulfat zu einer Dispersion von pulvrigem Kohlenstoff mit darauf geträgerten Platin zu, wobei eine Zuführungsrate der Eisensatzlösung zu der Dispersion des pulvrigen Kohlenstoffs von 0,88 bis 11 Millimol/min. reicht.
Es ist bevorzugt, dass der Basismetallunterstützungsschritt anschließend eine Alkalilösung mit der Dispersion mischt, die die Eisensatzlösung einschließt, wobei eine Zuführungsrate der Alkalilösung zu der Dispersion, die die Eisensatzlösung einschließt, von 1,25 bis 10 Millimol/min. reicht.
Der Elektrodenkatalysator der vorliegenden Erfindung, der einer beliebigen der vorstehenden Anordnung folgt, besitzt die wesentlich höhere katalytische Aktivität, verglichen mit den Elektrodenkatalysatoren des Stands der Technik. Die vorliegende Erfindung ist folglich nicht auf das Verfahren zur Herstellung des Elektrodenkatalysators beschränkt, sondern ist auch auf den so hergestellten Elektrodenkatalysator gerichtet. Ein erster Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle beinhaltet eine Legierung eines Edelmetalls und eines auf den Kohlenstoffträger geträgerten Basismetall, wobei ein Atomzahlverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall nicht weniger als 0,14 in der EDX- Analyse ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die Variation in der Funktion des Elektrodenkatalysators mit einer Variation in dem Atomzahlverhältnis, das durch EDX-Analyse des Elektrodenkatalysators erhalten wurde. Es hat sich herausgestellt, dass der gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Elektrodenkatalysator, der vorstehend diskutiert wurde, herausragende Leistungen besitzt, und das Atomzahlverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall in dem Elektrodenkatalysator nicht weniger als 0,14 beträgt. Das Atomzahlverhältnis bedeutet das Verhältnis der Zahl der Basismetallatome zu der Zahl der Edelmetallatome, zum Beispiel Fe/Pt. Die EDX-Analyse stellt die energiedispersive Röntgenstrahlanalyse dar, welches jedes Katalysatorteilchen, das einem Elektrodenstrahl ausgesetzt ist, herstellt und das durch die Interaktion des Elektrodenstrahls mit den konstituierenden Atomen des Katalysatorteilchens erzeugte Röntgenstrahlspektrum untersucht, um so die in dem Katalysatorteilchen eingeschlossenen Elemente zu spezifizieren. Das Verhältnis der Zahl der Basismetallatome zu der Zahl der Edelmetallatome in dem Katalysatorteilchen, das durch diese Technik ermittelt wird, ist von dem einfachen Atomverhältnis oder Gewichtsverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall als die Gesamtmenge, die auf dem Träger geträgert ist, verschieden. Der Elektrodenkatalysator mit dem Atomzahlverhältnis, das gleich oder größer als der spezifische Wert ist, stellt die verstärkte Katalysatorfunktion des Edelmetalls sicher und übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus.
Der Elektrodenkatalysator der vorliegenden Erfindung kann durch eine Reihe von anderen Eigenschaften spezifiziert werden. Ein zweiter Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle beinhaltet eine Legierung eines Edelmetalls und eines auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls, wobei ein Verhältnis einer bindenden Zahl von Edelmetallatomen mit Basismetallatomen zu einer gesamten bindenden Zahl, die sich auf das Edelmetallatom bezieht, nicht weniger als 0,10 in der EXAFS-Analyse beträgt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die Variation in der Funktion des Elektrodenkatalysators mit einer Variation im Verhältnis der bindenden Zahl, die durch EXAFS-Analyse des Elektrodenkatalysators erhalten wurde. Es hat sich herausgestellt, dass der gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Elektrodenkatalysator, der vorstehend diskutiert wurde, herausragende Leistungen besitzt und das Verhältnis der bindenden Zahl des Edelmetallatoms mit dem Basismetallatom zu der gesamten bindenden Zahl, die sich auf das Edelmetallatom in dem Elektrodenkatalysator bezieht, nicht weniger als 0,10 beträgt. Das Verhältnis der bindenden Zahl des Edelmetallatoms mit dem Basismetallatom zu der gesamten bindenden Zahl, die sich auf das Edelmetall bezieht, ist zum Beispiel (Pt- Fe)/{(Pt-Fe)+(Pt-Pt)}, wenn das Edelmetall Platin ist und das Basismetall Eisen ist. Das heißt das Verhältnis der bindenden Zahl stellt die Zahl der benachbarten Edelmetallatom- und Basismetallatom (Pt-Fe) zu der gesamten bindenden Zahl des Edelmetallatoms (Pt-Pt und Pt-Fe) dar. Die EXAFS-Analyse stellt die Probe her, die Röntgenstrahl mit variierender Energie ausgesetzt wurde und spezifiziert die Anordnung in der Nanometergrößenordnung, basierend auf der Feinstruktur, die auf das resultierende Absorptionsspektrum erscheint. In der röntgenstrahlausgesetzten Probe, werden spezifische innere Schalenelektronen eines Targetatoms je nach Wellenlänge der Aussetzung angeregt und als Fotoelektronen herausgeflogen. Die Fotoelektronen werden in der Gegenwart von anderen Atomen, nahe dem Targetatom, gestreut. Das Streuen wird als die Feinstruktur des Absorptionsspektrums beobachtet. Die Analyse der Feinstruktur des Absorptionsspektrum ergibt Informationen hinsichtlich der anderen Atome, die in der Nachbarschaft des Targetatoms vorhanden sind (zum Beispiel Identifizierung des anderen Atoms und dessen Abstand). Das Verhältnis der bindenden Zahl des Edelmetallatoms mit dem Basismetallatom zu der gesamten bindenden Zahl des Edelmetallatoms, das durch diese Technik ermittelt wurde, zeigt die Atomanordnung der Legierung und ist von dem einfachen Atomverhältnis oder Gewichtsverhältnis verschieden. Der Elektrodenkatalysator mit dem Verhältnis der atombindenden Zahl, die gleich oder größer als der spezifizierte Wert ist, stellt die verstärkte katalytische Funktion des Edelmetalls sicher und gibt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus.
Ein dritter Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle beinhaltet eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, das auf einem Kohlenstoffträger geträgert ist, wobei eine Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung bzw. vollständige Sauerstofffreisetzungstemperatur aus einer pulvrigen Form des Katalysators vor Herstellung einer Elektrode nicht höher als 280°C ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die Variation in der Funktion des Elektrodenkatalysators mit einer Variation in der Temperatur zur vollständigen Sauerstofffreisetzung aus dem Elektrodenkatalysator. Es hat sich herausgestellt, dass der Elektrodenkatalysator, der gemäß dem Herstellungsverfahren der vorstehenden Erfindung hergestellt wurde, das vorstehend diskutiert wurde, herausragende Leistungen besitzt und die vollständige Sauerstofffreisetzungstemperatur des Elektrodenkatalysators nicht höher als 280°C liegt. Der pulvrige Katalysator, der der atmosphärischen Umgebung ausgesetzt wurde, wird als die Probe verwendet. Die Probe wird allmählich in einem Strom eines inerten Gases aufgeheizt (zum Beispiel Heliumgas), und die Menge des Sauerstoffs, der aus der Probe freigesetzt wird, wird überwacht. Die vollständige Sauerstofffreisetzungstemperatur stellt die Temperatur dar, bei welcher die Freisetzung von Sauerstoff aus der Probe vervollständigt ist.
Ein vierter Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle beinhaltet eine Legierung eines Edelmetalls und eines auf einen Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls, wobei eine Peaktemperatur bzw. Spitzenwerttemperatur einer Kohlenstoffdioxidfreisetzung aus einer pulvrigen Form von Katalysator vor der Herstellung einer Elektrode nicht höher als 300°C ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die Variation der Funktion des Elektrodenkatalysators mit einer Variation in der Peaktemperatur der Kohlenstoffdioxidfreisetzung aus dem Elektrodenkatalysator. Es hat sich herausgestellt, dass der Elektrodenkatalysator, der gemäß dem Herstellungsverfahren in der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, das vorstehend diskutiert wurde, herausragende Leistungen besitzt und die Kohlenstoffdioxidfreisetzungspeaktemperatur des Elektrodenkatalysators nicht höher als 300°C ist. Der pulverförmige Katalysator, der der atmosphärischen Umgebung ausgesetzt wird, wird als die Probe verwendet. Die Probe wird allmählich in einem Strom eines inerten Gases (zum Beispiel Heliumgas) erhitzt, und die Menge an Kohlenstoffdioxid, die aus der Probe freigesetzt wird, wird überwacht. Die Kohlenstoffdioxidfreisetzungspeaktemperatur stellt die Temperatur dar, bei welcher die Freisetzung von Kohlenstoffdioxid aus der Probe ihren Peak bzw. Spitzenwert erreicht.
Der Elektrodenkatalysator für die Brennstoffzelle, die die Legierung des Edelmetalls und des Basismetalls, die auf dem Kohlenstoff geträgert sind, einschließt, kann andererseits durch die Menge der Adsorption eines Gases mit Einfachzusammensetzung spezifiziert werden. Das heißt die vorliegende Erfindung ist auf einen fünften Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle ausgerichtet, wobei eine Absorptionsmenge eines Gases mit Einfachzusammensetzung in einer pulverförmigen Form eines Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode nicht weniger als ein spezifischer Wert pro einem Gramm des Edelmetalls beträgt. Wenn zum Beispiel das Gas mit Einfachzusammensetzung Kohlenmonoxid ist, besitzt der Elektrodenkatalysator mit der Adsorptionsmenge von nicht weniger als 12 Ncc pro Gramm des Edelmetalls die signifikant höhere katalytische Aktivität als die Elektrodenkatalysatoren des Stands der Technik. Das Gas mit Einfachzusammensetzung kann Kohlenmonoxidgas, Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektrodenkatalysators für die Brennstoffzelle ist das Edelmetall Platin und das Basismetall ist Eisen. Die Kombination von Platin und Eisen ergibt die extrem günstige katalytische Aktivität.
Eine andere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bewertung des Elektrodenkatalysators.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein erstes Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, gerichtet, welches eine Legierung eines Edelmetalls und ein auf Kohlenstoff geträgertes Basismetall einschließt. Das erste Bewertungsverfahren beinhaltet die Schritte von: Einspeisen eines Gases mit Einfachzusammensetzung in eine Haltereinheit, in welcher der Elektrodenkatalysator, der für die Brennstoffzelle verwendet wird, gehalten wird; Bestimmen einer Menge eines Gases mit Einfachzusammensetzung, die durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wird; und Berechnen eines Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus der bestimmten Menge des adsorbierten Gases mit Einfachzusammensetzung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Leistung der Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator verwendet, welcher die Legierung des Edelmetalls und des Basismetalls, die auf dem Kohlenstoff geträgert sind, einschließt, durch die Menge der Adsorption des Gases mit Einfachzusammensetzung, wie etwa Kohlenmonoxidgas, bewertet werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht, dass die Leistung der resultierenden Brennstoffzelle basierend auf der Menge der Adsorption des Gases mit Einfachzusammensetzung durch den Elektrodenkatalysator ohne tatsächlich die Brennstoffzelle herzustellen, bewertet werden kann. Dies verkürzt in erwünschter Weise die Lead-Zeit der Entwicklung. Das Gas mit Einfachzusammensetzung ist nicht auf Kohlenmonoxidgas beschränkt, sondern kann ein anderes geeignetes Gas, wie etwa Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas sein.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein zweites Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle gerichtet, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines auf dem Kohlenstoff geträgerten Basismetalls einschließt. Das zweite Bewertungsverfahren beinhaltet die Schritte von: Bestimmen eines Atomzahlverhältnisses des Basismetalls zu dem Edelmetall in einer pulverförmigen Form eines Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode durch EDX-Analyse; und Berechnung des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus dem bestimmten Verhältnis der Atomzahl.
Die EDX-Analyse spezifiziert das Atomzahlverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall, das in jedem Katalysatorteilchen eingeschlossen ist. Dieses ist von dem einfachen Atomverhältnis oder Gewichtsverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall, als die Gesamtmenge, die auf dem Träger geträgert wird, verschieden. Der Elektrodenkatalysator mit dem Atomzahlverhältnis, das gleich oder größer als der spezifizierte Wert ist, stellt die verstärkte Katalysatorfunktion des Edelmetalls sicher und übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus. Die Leistung einer resultierenden Brennstoffzelle kann basierend auf diesem Atomzahlverhältnis bewertet werden, ohne tatsächlich die Brennstoffzelle herzustellen. Dies verkürzt in erwünschter Weise die Leadzeit der Entwicklung.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein drittes Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator verwendet, gerichtet, welches eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, einschließt. Das dritte Bewertungsverfahren beinhaltet die Schritte von: Ermitteln eines Verhältnisses einer Bindungszahl von Edelmetallatom mit Basismetallatom zu einer Gesamtbindungszahl, die sich auf das Edelmetallatom in einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode durch EXAFS-Analyse bezieht, und Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus dem bestimmten Verhältnis der Bindungszahl.
Die EXAFS-Analyse spezifiziert das Verhältnis der Bindungszahl des Edelmetallatoms mit dem Basismetallatom zu der gesamten Bindungszahl des Edelmetallatoms in dem pulverförmigen Katalysator. Das Bindungszahlverhältnis zeigt die Atomanordnung der Legierung und ist von dem einfachen Atomverhältnis oder Gewichtsverhältnis verschieden. Der Elektrodenkatalysator mit dem Verhältnis der Atombindungszahl, die gleich oder größer als der spezifizierte Wert ist, stellt die verstärkte katalytische Funktion des Edelmetalls sicher und übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus. Die Leistung einer resultierenden Brennstoffzelle kann basierend auf diesem Bindungszahlverhältnis bewertet werden, welches die Aktivität des Elektrodenkatalysators darstellt, ohne tatsächlich die Brennstoffzelle herzustellen. Dies verkürzt in erwünschter Weise die Leadzeit der Entwicklung.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein viertes Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle gerichtet, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welches eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, einschließt. Das vierte Bewertungsverfahren beinhaltet die Schritte von: Messen einer Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus einer pulverförmigen Form eines Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode; und Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus der beobachteten Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Leistung der Brennstoffzelle, die den Edelmetall- Basismetalllegierungselektrodenkatalysator einschließt, bewertet werden kann, indem die Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus der pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung der Elektrode gemessen wird. Der pulverförmige Katalysator wird allmählich aufgeheizt, und die Menge an aus dem pulverförmigen Katalysator freigesetzten Sauerstoff wird überwacht. Die Temperatur, bei welcher eine Freisetzung von Sauerstoff aus dem pulverförmigen Katalysator vervollständigt ist, wird gemessen. Je geringer die vollständige Sauerstofffreisetzungstemperatur ist, desto besser wird die katalytische Funktion nach Herstellung der Elektrode sichergestellt. Die Messung der vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur bestimmt demgemäss das Ausgangspotential einer resultierenden Brennstoffzelle und bewertet die Leistung des Elektrodenkatalysators in der resultierenden Brennstoffzelle. Die Leistung der resultierenden Brennstoffzelle kann folglich basierend auf der beobachteten vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur bewertet werden, ohne tatsächlich die Brennstoffzelle herzustellen. Dies verkürzt in erwünschter Weise die Leadzeit der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein fünftes Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, gerichtet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, einschließt. Das fünfte Bewertungsverfahren beinhaltet die Schritte von: Messen einer Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung aus einer pulverförmigen Form eines Katalysators für der Herstellung einer Elektrode; und Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus der beobachteten Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Leistung der Brennstoffzelle, die den Edelmetall- Basismetalllegierungselektrodenkatalysator einschließt, bewertet werden kann, indem die Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung aus der pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung der Elektrode gemessen wird. Der pulverförmige Katalysator wird allmählich aufgeheizt, und die Menge des aus dem pulverförmigen Katalysator freigesetzten Kohlendioxid wird überwacht. Die Peaktemperatur, bei welcher die Freisetzung von Kohlendioxid aus dem pulverförmigen Katalysator ihren Peak erreicht, wird gemessen. Je geringer die Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur ist, desto besser wird die katalytische Funktion nach Herstellung der Elektrode sichergestellt. Die Messung der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur bestimmt demgemäss das Ausgangspotential einer resultierenden Brennstoffzelle und bewertet die Leistung des Elektrodenkatalysators in der resultierenden Brennstoffzelle. Die Leistung der resultierenden Brennstoffzelle kann folglich basierend auf der beobachteten Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur bewertet werden, ohne tatsächlich die Brennstoffzelle herzustellen. Dies verkürzt in erwünschter Weise die Leadseite der Entwicklung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Bewertungsverfahrens, sind das Edelmetall und das Basismetall als die Bestandteile des Elektrodenkatalysators jeweils Platin und Eisen. Das vorstehende Bewertungsverfahren kann die Funktion des Katalysators dieser Kombination der resultierenden Brennstoffzelle genau bewerten. Das Edelmetall ist nicht auf Platin beschränkt, sondern kann aus der aus Gold, Silber, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium und Iridium bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Das Basismetall ist nicht auf Eisen beschränkt, sondern kann aus der aus Nickel, Mangan, Kobalt, Chrom, Kupfer, Zink, Molybdän, Wolfram, Germanium und Zinn bestehenden Gruppe ausgewählt werden.
Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist ein Bewertungsgerät für die Leitung einer Brennstoffzelle.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich folglich auf ein Gerät zur Bewertung der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung aus einem Edelmetall und einen auf Kohlenstoff geträgerten Basismetall einschließt. Das Bewertungsgerät beinhaltet: ein Zuführungsmodul für Gas mit Einfachzusammensetzung, das ein Gas mit Einfachzusammensetzung einer Haltereinheit zuführt, in welcher der Elektrodenkatalysator, der für die Brennstoffzelle verwendet wird, gehalten wird; ein Adsorptionsmengenbestimmungsmodul, das eine Menge eines Gases mit Einfachzusammensetzung, das durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wird, bestimmt; und ein Ausgangspotentialberechnungsmodul, das ein Ausgangspotential der Brennstoffzelle aus der ermittelten Menge des adsorbierten Gases mit Einfachzusammensetzung berechnet.
Dieses Gerät ermöglicht, dass die Leistung der Brennstoffzelle in der Form eines Elektrodenkatalysators vor der Herstellung einer Einheitszelle bewertet wird, und übt dadurch die gleichen Effekte wie diejenigen des vorstehend diskutierten Bewertungsverfahren aus. Das Gas mit Einfachzusammensetzung kann aus der aus Kohlenmonoxidgas, Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas und Sauerstoffgas bestehenden Gruppe ausgewählt werden.
Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wird hergestellt, indem der Elektrodenkatalysator, der vorstehend beschrieben wurde, und das Bewertungsverfahren des Elektrodenkatalysators verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ist folglich auf ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle gerichtet, welches einschließt: ein Edelmetallunterstützungsschritt, der ein Edelmetall herstellt, das mit einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einen Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche vor nicht weniger als einem vorbestimmten Wert geträgert ist; ein Basismetallunterstützungsschritt, der ein Basismetall herstellt, das mit einer spezifizierten Unterstützungsdichte auf dem Kohlenstoffträger mit dem darauf geträgerten Edelmetall geträgert ist; ein Erhitzungsschritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, auf eine spezifische Temperatur erhitzt, die die Reduktion des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls ermöglicht; ein Legierungsschritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall nach der Reduktion des Basismetalls bei der spezifischen Temperatur weiter aufheizt, um so die Legierung des Edelmetalls und des Basismetalls auf dem Kohlenstoffträger weiter aufzuheizen; ein Bewertungsschritt, der eine pulverförmige Form des legierten Elektrodenkatalysators bewertet; und Fixieren der bewerteten pulverförmigen Form des Elektrodenkatalysators auf einer Elektrolytmembran, um eine Einheitszelle zu bilden.
Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht, dass die Leistung des Elektrodenkatalysators für die Brennstoffzelle vor der Herstellung einer Einheitszelle bewertet wird und dadurch effektiv die Herstellung von defekten Einheitszellen mit unzureichenden Leistungen verhindert wird. Nach der Fixierung des pulverförmigen Katalysators auf die Elektrolytmembran in der Einheitszelle, ist es extrem schwierig, den Katalysator von der Elektrolytmembran zu separieren. Die Bewertung des Elektrodenkatalysators und nachfolgende Herstellung der Einheitszelle, die den bewerteten Elektrodenkatalysator verwendet, ist folglich signifikant vorteilhaft. Der Elektrodenkatalysator in einem Brennstoffzellenstapel, der erhalten wird, indem diese Einheitszellen laminiert werden, übt die erwünschten Leistungen aus.
Der Bewertungsschritt in dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle führt eine Bewertung aus, die auf beliebigen der folgenden Daten basieren, wie vorstehend im Hinblick auf das Bewertungsverfahren des Elektrodenkatalysators diskutiert:

1. Die Menge des Gases mit Einfachzusammensetzung, wie etwa Kohlenmonoxidgas, die von dem Elektrodenkatalysator adsorbiert wird;
2. Das Atomzahlverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall in dem pulverförmigen Katalysator vor der Herstellung der Elektrode, gemessen durch EDX-Analyse;
3. Das Verhältnis der Bindungszahl des Edelmetallatoms mit dem Basismetallatom zu der gesamten Bindungszahl des Edelmetallatoms in dem pulverförmigen Katalysator vor der Herstellung der Elektrode, gemessen durch EXAFS-Analyse;
4. Die Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus dem pulverförmigen Katalysator vor der Herstellung der Elektrode; und
5. Die Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung aus dem pulverförmigen Katalysator vor der Herstellung der Elektrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, ist das Edelmetall Platin und das Basismetall Eisen. Der Elektrodenkatalysator dieser Kombination stellt die bevorzugte Leistung der resultierenden Brennstoffzelle sicher. Das Edelmetall und das Basismetall sind jedoch nicht auf diese Kombination beschränkt. Der Legierungskatalysator kann eine größere Zahl von Edelmetallen oder Basismetallen, die in ternärer, quartärer oder hyperkomplexer Form sind, wie vorstehend beschrieben, einschließen.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein anderes Verfahren zum Herstellen eines edelmetallhaltigen Elektrodenkatalysators, der für eine Brennstoffzelle verwendet wird, gerichtet. Dieses Verfahren stellt ein Edelmetall her, das bei einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einen Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als 600 m²/g und nicht weniger als 1000 m²/g geträgert wird. Ein typisches Beispiel für das Edelmetall ist Platin. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zuvor herausgefunden, dass ein edelmetallhaltiger Katalysator, der auf einen Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als 1000 m²/g geträgert ist, herausragende Leistungen ausübt. Als ein Ergebnis einer weiteren Studie, haben die Erfindung herausgefunden, dass ein edelmetallhaltiger Katalysator, der auf einen Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als 600 m²/g und weniger als 1000 m²/g auch herausragende Leistungen als der Elektrodenkatalysator ausübt.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit den begleiteten Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Zeichnung, die die Eigenschaften der Edelmetall- Basismetalllegierungselektrodenkatalysatoren zeigt, die gemäß dem Verfahren in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
Fig. 3 ist eine Zeichnung, in der die IR-Kompensationsspannung Vi gegen die spezifische Oberfläche in Brennstoffzellen, die die gemäß dem Verfahren der ersten Ausführungsform erhaltenen Elektrodenkatalysatoren verwenden, aufgetragen ist;
Fig. 4 ist eine Zeichnung, die die Energieintensität von Elektronen zeigt, die durch Aussetzung des Platin- Eisenlegierungselektrodenkatalysators gegenüber Röntgenstrahlen freigesetzt wurden;
Fig. 5 ist eine Zeichnung, die den Zusammenhang zwischen der Platin-Eisenlegierungsunterstützungsdichte von jedem Elektrodenkatalysator und der IR-Kompensationsspannung Vi in jeder Einheitszelle zeigt, die den Elektrodenkatalysator einschließt.
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 veranschaulicht schematisch die Struktur eines Bewertungsgeräts für Brennstoffzellen, das in dem Bewertungsschritt S20 in dem Verfahren der zweiten Ausführungsform, die in Fig. 6 gezeigt wird, verwendet wird;
Fig. 8 ist ein Flussdiagramm, das die Details des Bewertungsschritts S20 zeigt;
Fig. 9 ist eine Zeichnung, die die IR-Kompensationsspannung Vi zeigt, die gegen die Menge des adsorbierten Kohlenmonoxids aufgetragen ist;
Fig. 10 ist eine Zeichnung, die die IR-Kompensationsspannung Vi zeigt, die gegen das Atomzahlverhältnis von Fe zu Pt durch EDX- Analyse aufgetragen ist;
Fig. 11 ist eine Zeichnung, die die IR-Kompensationsspannung Vi zeigt, die gegen das Verhältnis der Bindungszahl durch EXAFS- Analyse aufgetragen ist;
Fig. 12 veranschaulicht schematisch die Struktur eines Freisetzungsdetektors, das in einem modifizierten Verfahren der zweiten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 13 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bewertung des Elektrodenkatalysators zeigt, das auf der beobachteten Freisetzungstemperatur basiert;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Profil der Temperaturänderung, die bei der Messung der Freisetzungstemperatur verwendet wird, zeigt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Menge des freigesetzten Sauerstoffs zeigt, die gegen die Probentemperatur bei Betrachtung einer Vielzahl von Proben aufgetragen ist;
Fig. 16 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus jedem Elektrodenkatalysator und der IR-Kompensationsspannung Vi in jeder Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator einschließt, zeigt;
Fig. 17 ist ein Diagramm, das die Menge des freigesetzten Kohlendioxids zeigt, das gegen die Probentemperatur bei Betrachtung einer Vielzahl von Proben gezeichnet wird; und
Fig. 18 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung aus jedem Elektrodenkatalysator und die IR-Kompensationsspannung Vi in jeder Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator einschließt, zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels von Brennstoffzellen wird als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung diskutiert. Fig. 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels in der ersten Ausführungsform zeigt.
Das Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform, das in Fig. 1 gezeigt wird, ist hauptsächlich in zwei Teile geteilt, das heißt ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators (Schritte S1 bis S4) und ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Brennstoffzellenstapels (Schritte S11 bis S13). Diese zwei Teile werden in dieser Reihenfolge beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung des Elektrodenkatalysators führt zunächst einen Kohlenstoffdispersionsschritt aus, um Kohlenstoffruß bzw. Russ herzustellen, der in Wasser unter Rühren dispergiert wird (Schritt S1). Das konkrete Verfahren gibt 579 g Kohlenstoffrußpulver mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als 205 m²/g (vorzugsweise nicht weniger als 600 m²/g) zu 58 Litern Wasser zu, und rührt die wässrige Lösung mit dem Russ für vier Stunden, um das Russ ausreichend in Wasser zu dispergieren.
Das Verfahren führt dann einen Platinunterstützungsschritt aus, um Platin herzustellen, das auf dem Ruß geträgert ist (Schritt S2). Dieser Schritt beinhaltet drei Unterschritte:

1. Der erste Unterschritt wählt Platin als ein Edelmetall aus, gibt eine Mischung aus Platinsulfit zu, das 390 g Platin mit 8000 g wässriger Schwefelsäure enthält, zu der wässrigen Lösung mit dem darin dispergierten Rußpulver zu, und rührt die Lösungsmischung ausreichend.
2. Der zweite Unterschritt gibt 7 Liter Wasserstoffperoxid zu der Lösungsmischung tropfenweise in zwei Stunden zu, erhitzt die resultierende Lösung auf eine bestimmte Temperatur (95°C in dieser Ausführungsform) in einer Stunde, hält die resultierende Lösung bei der bestimmten Temperatur für eine Stunde, und kühlt die resultierende Lösung auf Raumtemperatur herunter.
3. Der dritte Unterschritt filtert das resultierende Pulver ab, wäscht das resultierende Pulver mit destilliertem Wasser bis das Filtrat einen pH von 5 oder mehr aufweist, und trocknet das gewaschene Pulver im Vakuum bei 100°C für 6 Stunden.

Dieser Schritt ergibt 963 g Platinunterstützungskohlenstoff, in welchem 40 Gew.-% Platin auf dem Rußpulver geträgert ist. Der Gew.-%-Satz von Platin, das in einem resultierenden Katalysator enthalten ist, wird reguliert, indem die Menge des Platinsulfits eingestellt wird, das zu dem in Wasser dispergierten Rußpulver gegeben wird. Die Unterstützungsdichte von Platin sollte in einem Bereich von 15 Gew.-% bis 70 Gew.-% sein, um die Funktionen sicherzustellen, die für den Elektrodenkatalysator benötigt werden. Die Funktionen des resultierenden Katalysators werden später diskutiert werden. Der Platinunterstützungskohlenstoff wird zur präzisen Regulierung der Menge des Elektrodenkatalysators getrocknet. Nach Stabilisierung des Herstellungsverfahrens, kann das Verfahren das Trocknen weglassen und zu dem nachfolgenden Schritt (Schritt S3) sofort nach dem Waschen wechseln.
Das Verfahren führt anschließend einen Eisenunterstützungsschritt aus, um Eisen herzustellen, das auf dem Platinunterstützungskohlenstoff geträgert wird (Schritt S3). Dieser Schritt beinhaltet vier Unterschritte:

1. Der erste Unterschritt gibt dem getrockneten Platin- Unterstützungskohlenstoff (963 g) zu 5,5 Litern Wasser, und rührt die Mischung für eine Stunde, um das Platin- Unterstützungskohlenstoff im Wasser ausreichend zu dispergieren.
2. Der zweite Unterschritt gibt 6,6 Liter 0,1 M Eisennitrathexahydrat (Fe(NO₃)₃.6H₂O) tropfenweise zu der Dispersion in einer Stunde und rührt die Lösungsmischung für zwei Stunden. Die Tropfrate beträgt 0,11 Liter/Minute, welches 11 Millimol/Minute als das Eisen (Fe)-Atom entspricht. Bei Vervollständigung des Zutropfens, besitzt die Platin- Eisenlegierungszusammensetzung 33 Atomprozent Eisen. Das heißt das Verhältnis ist 3 Platinatome auf ein Eisenatom.
3. Der dritte Unterschritt gibt 3,6 Liter 1,7 prozentiges wässriges Ammoniak tropfenweise zu der Lösungsmischung in drei Stunden unter Rühren. Die Zutropfrate beträgt 20 cc/Minute, welches 10 Millimol/Minute als das Ammoniakmolekül entspricht. Hierbei ist das wässrige Ammoniak nicht restriktiv, sondern eine beliebige Substanz, die die wässrige Lösung alkalisch macht, ist anwendbar. Die wässrige Lösung wird auf pH 10 durch Zugabe von wässrigen Ammoniak oder einer anderen geeigneten Substanz alkalisch gemacht.
4. Eisenhydroxid Fe(OH)₃ scheidet sich auf dem Platin- Unterstützungskohlenstoff über die vorstehenden Unterschritte ab. Der vierte Unterschritt verdampft die wässrige Lösung zu einer festen Substanz, filtert die feste Substanz ab, und wäscht die feste Substanz mit destilliertem Wasser bis das Filtrat einen pH von nicht weniger als 4,5 aufweist, und trocknet die gewaschene feste Substanz im Vakuum bei 100°C für 6 Stunden.

Dieser Schritt ergibt einen Kohlenstoffkatalysator mit 38,8 Gew.-% Platin und 3,7 Gew.-% darauf geträgerten Eisen.
Das Verfahren führt dann einen Reduktionsschritt aus, um den so erhaltenen Kohlenstoffkatalysator zu reduzieren (Schritt S4). Dieser Reduktionsschritt beinhaltet zwei Unterschritte:

1. Der erste Unterschritt zerkleinert den Kohlenstoffkatalysator zu Pulver und platziert den pulverförmigen Kohlenstoffkatalysator in einem elektrischen Ofen.
2. Der zweite Unterschritt erhitzt den pulverförmigen Kohlenstoffkatalysator in dem elektrischen Ofen auf eine eisenreduzierbare Temperatur (500°C in dieser Ausführungsform) in einem Strom von 100% gashaltigem Wasserstoff in vier Stunden, hält den pulverförmigen Kohlenstoffkatalysator bei der eisenreduzierbaren Temperatur für eine Stunde, erhitzt den pulverförmigen Kohlenstoffkatalysator weiter auf eine Temperatur von 900°C in einem Strom aus gasförmigem Stickstoff, hält den pulverförmigen Kohlenstoffkatalysator bei der Temperatur von 900°C für eine Stunde, und kühlt den erhitzten pulverförmigen Kohlenstoffkatalysator auf Raumtemperatur herunter.

Dieser Schritt vervollständigt einen Platin- Eisenlegierungsunterstützungselektrodenkatalysator, auf welchen 38,8 Gew.-% Platin und 3,7 Gew.-% Eisen fast vollständig legiert und geträgert ist. Diese Reihe von Verfahren entspricht dem Verfahren 1 in Tabelle 3, das später diskutiert wird.
Das Herstellungsverfahren vervollständigt die Herstellung des Elektrodenkatalysators und schreitet zu den Verfahren des Zusammenbauens eines Brennstoffzellenstapels voran. Das Verfahren führt einen Membranbeschichtungsschritt durch, welcher den durch das Elektrodenkatalysatorherstellungsverfahren hergestellten Elektrodenkatalysator mit einem Polymerelektrolyt und einem organischen Alkohollösungsmittel unter Rühren mischt und aufträgt und die resultierende tintenähnliche Elektrodenkatalysatormischung auf einer Elektrolytmembran fixiert (Schritt S11). Dieser Membranbeschichtungsschritt ist als das Decalverfahren bekannt, obwohl eine andere Technik für diesen Membranbeschichtungsschritt angewendet werden kann. Der Polymerelektrolyt und das organische Alkohollösungsmittel sind diejenigen, die in der Technik bekannt sind. Der Membranbeschichtungsschritt ergibt einen Membran-Elektrodenaufbau (nachstehend als MEA bezeichnet), in welchem der Elektrodenkatalysator auf die Elektrolytmembran fixiert ist. Das Verfahren führt dann einen Einheitszellherstellungsschritt aus, um das MEA mit einem Separator zu verbinden und eine Einheitszelle herzustellen (Schritt S12). Das Verfahren führt anschließend einen Zellenzusammenbauschritt aus, welcher eine gewünschte Zahl von Einheitszellen aufeinanderlegt, um ein Zelllaminat zu bilden und das Zelllaminat zwischen einem Paar von Kollektoren zu legen bzw. zu schalten, und einem Brennstoffzellenstapel zusammenzubauen (Schritt S13).
Die Reihe von Herstellungsverfahren, die vorstehend diskutiert wurde, ergibt folglich einen Stapel von Brennstoffzellen (Brennstoffzellenstapel). Der resultierende Brennstoffzellenstapel wird einer Bewertung unter Verwendung einer IR-Kompensationsspannung Vi unterzogen, welcher eine Ausgangsspannung mit Kompensation eines internen Widerstands ist. Die IR-Kompensationsspannung Vi wird in einen Wert pro 0,2 mg katalytisches Platin (Pt), das in 1 cm² der Elektrode enthalten ist, umgewandelt und stellt eine Ausgangsspannung (Einheit: Millivolt) unter der Bedingung eines elektrischen Stroms von 0,5 A pro 1 cm² der Elektrode dar.
Der Brennstoffzellenstapel mit dem Platin-Eisenlegierungs- Unterstützungselektrodenkatalysator, der durch das vorstehende Verfahren erhalten wurde, zeigte eine extrem günstige Eigenschaft. In der Brennstoffzelle mit dem Elektrodenkatalysator, der durch das Verfahren der Ausführungsform erhalten wurde, überstieg die IR- Kompensationsspannung Vi bei Betrachtung jeder Einheitszelle 780 Millivolt, welches signifikant besser war, als die IR- Kompensationsspannung eines Brennstoffzellenstapels mit einem herkömmlichen Elektrodenkatalysator.
Die Eigenschaften des Platin-Eisenlegierungs- Unterstützungselektrodenkatalysators und anderer Platin- Basismetalllegierungs-Katalysatoren wurden im Vergleich mit dem herkömmlichen Platinkatalysator gemessen. Fig. 2 ist eine Zeichnung, die die beobachtete Stromdichte (A/C) pro effektive Oberfläche von Platin in Hinsicht auf eine Vielzahl von Elektrodenkatalysatoren zeigt, wobei die Gesamtmenge von Metallen, die auf Kohlenstoff geträgert sind, auf einen fixierten Wert (40 Gew.-%) reguliert wird. Die Bedingungen der Messung waren:

- Verhältnis vom Platinatom zum Basismetallatom in dem Legierungskatalysator: 3 zu 1;
- Elektrolytmembran: Nafion N115 (Marke; hergestellt von Du Pont)
- Zelltemperatur 80°C

Wie in der Zeichnung von Fig. 2 gezeigt, besaßen die Platin- Eisen, Platin-Nickel, Platin-Mangan, Platin-Kobalt und Platin- Chromlegierungskatalysatoren die höhere Stromdichte des einfachen Platinkatalysators. Eine ähnliche Tendenz wurde in dem Fall von Legierungskatalysatoren, die ein Edelmetall, das sich vom Platin unterscheidet, und ein Basismetall, wie Eisen und Nickel, einschließen, beobachtet.
In dem Herstellungsverfahren beeinflussen eine Vielzahl von Faktoren die Funktionen des resultierenden Katalysators. Im folgenden werden fünf wichtige Faktoren für die verstärkten Funktionen des Elektrodenkatalysators diskutiert:

1. Die spezifische Oberfläche von Ruß;
2. Die Reduktionstemperatur in dem Reduktionsschritt;
3. Die Eintropfrate eines oxidierenden Reagenz, wie etwa Wasserstoffperoxid in dem Platinunterstützungsschritt;
4. Die Eintropfrate einer Eisensalzlösung, wie etwa Eisennitrat, in dem Eisenunterstützungsschritt; und
5. Die Eintropfrate einer Alkalilösung, wie etwa wässriges Ammoniak, in dem Eisenunterstützungsschritt.

Variierende Funktionen von Elektrodenkatalysator mit der Variation der spezifischen Oberfläche von Ruß

Die spezifische Oberfläche von Ruß, die als der Träger verwendet wird, beeinflusst die Funktion des resultierenden Elektrodenkatalysators. Die IR-Kompensationsspannung Vi (Einheit: Millivolt) wurde relativ zu der spezifischen BET-Oberfläche (Einheit: m²/g) von Ruß gemessen. Das Ergebnis der Messung wird in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Spezifische Oberfläche IR-Kompensationsspannung Vi

42 726

62 732

77 742

84 740

242 743

256 745

800 785

1000 805

1250 810
Das Ergebnis der Messung wird auch in dem Diagramm von Fig. 3 aufgetragen. Gemäß dem Diagramm von Fig. 3 wird angenommen, dass der Zusammenhang zwischen der spezifischen Oberfläche und der IR- Kompensationsspannung Vi in einen geringeren spezifischen Oberflächenbereich von weniger als 600 m²/g verschieden von demjenigen in einem höheren spezifischen Oberflächenbereich von mehr als 600 m²/g ist.
In dem Verfahren zum Herstellen des Platin-Eisenlegierungs- Unterstützungselektrodenkatalysators, ist es bevorzugt, Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 600 m²/g als der Träger für die bevorzugten Eigenschaften des resultierenden Brennstoffzellenstapels zu verwenden.

Reduktionstemperatur in dem Reduktionsschritt

Die Eigenschaften des Elektrodenkatalysators wurden relativ zu der Reduktionstemperatur in dem Reduktionsschritt S4, der in dem Flussdiagramm von Fig. 1 gezeigt wird, gemessen. Das Ergebnis der Messung ist in Tabelle 2 gezeigt. Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 1000 m²/g wurde für die Messung verwendet. Der EDX-Wert und der EXAFS-Wert in Tabelle 2 wird später diskutiert werden. Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 deutlich ersichtlich ist, wird die Reduktionstemperatur auf nicht weniger als 400°C oder weiter bevorzugt auf nicht weniger als 450°C eingestellt, um das ausreichenden Niveau der IR-Kompensationsspannung einzustellen. Es wird erwartet, dass die Reduktionstemperatur von nicht weniger als 400°C die vollständige Reduktion von Eisen, das zusammen mit Platin auf Kohlenstoff geträgert ist, sicherstellt, um die ausreichende katalytische Funktion auszuüben. Um diese Annahme zu unterstützen, wurde der Zusammenhang zwischen der Reduktionstemperatur und der Bindungsenergie durch XPS-Analyse gemessen. Das Ergebnis der Messung wird in dem Diagramm von Fig. 4 gezeigt. Die XPS-Analyse setzt den Platin- Eisenlegierungskatalysator Röntgenstrahlen aus und zeichnet die Energiedichte der durch die Aussetzung freigesetzten Elektronen auf. In dem Diagramm von Fig. 4 wird die Bindungsenergie (Einheit: eV) als Abszisse gezeichnet, und die Zahl der freigesetzten Elektronen als Ordinate, bei Betrachtung von verschiedenen Reduktionstemperaturen. Eisen, das zusammen mit Platin auf Kohlenstoff geträgert ist, kann in drei verschiedenen Formen, Eisenoxid FeO, Dieisentrioxid Fe₂O₃ und reduziertes Eisen Fe (in dem Nichtelektronen-Bindungszustand von hoher Elektronegativität) vorhanden sein. Die Bindungsenergie wird in diesen drei Zuständen gezeigt. Die Detektion der Energieintensität der freigesetzten Elektronen spezifiziert demgemäss die tatsächliche Form von auf Kohlenstoff geträgerten Eisen.
Ein Diagramm H6 bei einer Reduktionstemperatur von 600°C besitzt einen deutlichen Peak bei 707 eV. Dies bestätigt das Vorhandensein von Eisen im am meisten reduzierten Zustand. In dem Fall eines Reduktionsverfahrens bei gewöhnlicher Temperatur oder bei einer Temperatur von 200°C (Diagramme H0 und H2), ist Eisen hauptsächlich in der Form von Eisenoxid vorhanden. In dem Fall eines Reduktionsverfahrens bei einer Temperatur von 400°C (Diagramm H4), wird angenommen, dass ein beträchtlicher Teil des Eisens in dem reduzierten Zustand vorhanden ist. Die Reduktionstemperatur von nicht weniger als 400°C ermöglicht demgemäss, dass sowohl Platin als auch Eisen in dem reduzierten Zustand in dem Platin- Eisenlegierungsunterstützungselektrodenkatalysator vorhanden sind. Wie in Tabelle 1 gezeigt, besitzt die Einheitszelle mit diesem Elektrodenkatalysator die ausreichend hohe IR- Kompensationsspannung.

Eintropfrate von Wasserstoffperoxid in dem Platinunterstützungsschritt

Die Eintropfrate vom Wasserstoffperoxid in dem Platinunterstützungsschritt S2 beträgt näherungsweise ein Zehntel der Eintropfrate in dem herkömmlichen Herstellungsverfahren. Eine derartige geringere Eintropfrate verstärkt die Dispergierbarkeit von Platin, dass sich auf der Oberfläche von Kohlenstoff abscheidet, und verursacht, dass Platinteilchen einen Teilchendurchmesser von näherungszweise 2 Nanometern (nm) aufweisen. Die Eigenschaften des Platin- Eisenlegierungskatalysators sind folglich wesentlich verbessert, verglichen mit den Eigenschaften des durch das herkömmliche Herstellungsverfahren hergestellten Katalysators.

Eintropfrate von Eisennitrat im Eisenunterstützungsschritt

Die Eintropfrate von Eisennitrat in dem Eisenunterstützungsschritt S3 wurde auf 8,8 cc/Minute (0,88 Millimol/Minute) eingestellt. Der Effekt der Eintropfrate von Eisennitrat und der Effekt der Eintropfrate von Ammoniak wurden bewertet. 3 zeigt die beobachteten Werte der IR- Kompensationsspannung Vi bei Betrachtung einer Vielzahl von Einheitszellen, die den unter verschiedenen Eintropfraten von diesen Reagenzien erhaltenen Elektrodenkatalysatoren einschließen. Tabelle 3
Wie in Tabelle 3 gezeigt, nahmen das Verfahren 1 und das Verfahren 2 die gleichen Bedingungen an, bis auf die Eintropfrate von Eisennitrat. Die Eintropfrate von Eisennitrat (0,88 Millimol/Minute) in Verfahren 2 betrug näherungsweise 1/10 der Eintropfrate in Verfahren 1 (11 Millimol/Minute). Die IR- Kompensationsspannung Vi der Einheitszelle mit dem Elektrodenkatalysator, der durch Verfahren 1 erhalten wurde, betrug 745 Millivolt, wohingegen die IR-Kompensationsspannung Vi der Einheitszelle mit dem Elektrodenkatalysator, der durch Verfahren 2 erhalten wurde, 785 Millivolt betrug. Die geringere Eintropfrate von Eisennitrat verbesserte wesentlich die Eigenschaft des resultierenden Elektrodenkatalysators.

Eintropfrate von Ammoniak von Eisenunterstützungsschritt

Verfahren 2 und Verfahren 3 verwendeten die gleichen Bedingungen, bis auf die Eintropfrate von Ammoniak, welche verwendet wurde, um Eisen auf dem Kohlenstoffträger in dem Eisenunterstützungsschritt S3 abzuscheiden. Verfahren 2 besaß eine relativ hohe Ammoniakeintropfrate von 20 cc/min. wohingegen Verfahren 3 eine wesentlich geringere Ammoniakeintropfrate von 2,5 cc/min (1/8 der Eintropfrate in Verfahren 2) besaß. Die geringere Eintropfrate von Ammoniak verbesserte weiter die IR-Kompensationsspannung der Einheitszelle mit dem Elektrodenkatalysator auf 805 Millivolt.

Reduktionstemperatur im Reduktionsschritt

Verfahren 3 und Verfahren 4 verwendeten die gleichen Bedingungen, bis auf die Reduktionstemperatur im Reduktionsschritt S4. Die Reduktionstemperatur betrug 400°C im Verfahren 3, und betrug 500°C im Verfahren 4. Die höhere Reduktionstemperatur verbesserte die IR-Kompensationsspannung der Einheitszelle mit dem Elektrodenkatalysator auf 815 Millivolt.
Die Unterstützungsdichte der Platin-Eisenlegierung auf dem Kohlenstoffträger in dem Elektrodenkatalysator, das durch das vorstehende Herstellungsverfahren hergestellt wurde, wird in einen adäquaten Bereich eingestellt, um die benötigte Leistung der Einheitszelle zu erreichen. In dieser Ausführungsform ist der bevorzugte Bereich der Unterstützungsdichte der Platin- Eisenlegierung 15 bis 70%. Die IR-Kompensationsspannung der Einheitszelle mit dem Elektrodenkatalysator wird gegen die Unterstützungsdichte der Platin-Eisenlegierung in dem Diagramm von Fig. 5 aufgetragen. Wie in dem Diagramm von Fig. 5 gezeigt, ist die Unterstützungsdichte des Platin- Eisenlegierungskatalysators der Ausführungsform frei in dem Bereich von 15 bis 70% einstellbar.
Im folgenden wird ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Stapels von Brennstoffzellen als eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellenstapels beinhaltet ein Elektrodenkatalysatorherstellungsverfahren und ein Elektrodenkatalysatorbewertungsverfahren. Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels in der zweiten Ausführungsform zeigt.
Das Herstellungsverfahren der zweiten Ausführungsform, das in dem Flussdiagramm von Fig. 6 gezeigt wird, ist dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform ähnlich, aber beinhaltet einen Bewertungsschritt S20 zur Bewertung des Elektrodenkatalysators nach dem Reduktionsschritt S4. Der Elektrodenkatalysator, der gemäß dem Elektrodenkatalysatorherstellungsverfahren S1 bis S4 erhalten wird, wird bei dem Bewertungsschritt S20 bewertet. Nur der Elektrodenkatalysator mit dem günstigen Bewertungsschritt bei einem Entscheidungsschritt S27 wird den Membranbeschichtungsschritt S11 des Brennstoffzellenaufbauverfahrens unterzogen. Der Elektrodenkatalysator mit dem schlechten Bewertungsergebnis bei dem Entscheidungsschritt S27 wird hierbei ausgeschlossen und einem Verschrottungs- oder Recyclingschritt S30 unterzogen.
Der resultierende Brennstoffzellenstapel, der in dieser Ausführungsform erhalten wurde, verwendet den bewerteten Elektrodenkatalysator, und besitzt demgemäss herausragende Eigenschaften und eine geringfügige Variation der Leistung. Eine Anwendung dieses Elektrodenkatalysators vermindert die Differenz unter individuellen Einheitszellen wesentlich und stellt die Herstellung von Einheitszellen, die günstige Zellleistungen ausüben, sicher. Die Einheitszellen, die eine kleine individuelle Differenz aufweisen und günstige Zellleistungen ausüben, stellen die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, der herausragende Zelleigenschaften und eine geringe Variation der Leistung unter jeweiligen Einheitszellen aufweist, sicher.
Die in dieser Ausführungsform ausgeführte Bewertung wird im Detail beschrieben. Die Erfinder haben mehrere Techniken zur Bewertung entwickelt. Das erste Bewertungsverfahren basiert auf der Menge der Adsorption eines Gases mit Einfachzusammensetzung (Kohlenmonoxid in dieser Ausführungsform). Fig. 7 veranschaulicht schematisch die Struktur eines Bewertungsgeräts für Brennstoffzellen, das in dem Bewertungsschritt des Herstellungsverfahrens in der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
Das Bewertungsgerät für Brennstoffzellen beinhaltet eine Probenhalteeinheit 100, die als eine Probe den Elektrodenkatalysators hält, welche durch das Elektrodenkatalysatorherstellungsverfahren S1 bis S4 hergestellt wird und zu pulverförmiger Form getrocknet wird, eine Wasserstoffgaszuführungseinheit 200, die eine Zuführung von Wasserstoffgas zu der Probenhalterungseinheit 100 einspeist, und eine Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300, die eine Zuführung von Kohlenmonoxidgas einspeist, welches eines aus Gasen mit Einfachzusammensetzung ist. Das Bewertungsgerät beinhaltet auch eine Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400, die Kohlenmonoxidgas detektiert, das aus der Probenhalterungseinheit 100 entladen wird, eine Berechnungseinheit 500, die eine Leistung (Erwartungswert der IR-Kompensationsspannung) von jeder Brennstoffzelle, die mit den detektierten Daten getestet wurde, berechnet, und ein Steuerungsgerät 600, das den Betrieb der Wasserstoffgaszuführungseinheit 200 steuert, die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300, die Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400, und die Berechnungseinheit 500. Zur Vereinfachung der Darstellung wird die Probenhalterungseinheit 100 in der Zeichnung von Fig. 7 vergrößert dargestellt. Die Darstellung von Fig. 7 gibt nicht die tatsächliche Größe der Probenhalterungseinheit 100 noch die Größenbeziehung zwischen den jeweiligen Inhaltsstoffen einschließlich der Einheiten 100, 200 und 300 wieder.
Die Probenhalterungseinheit 100 beinhaltet einen Probentisch 110, auf welchem jede Elektrodenkatalysatorprobe S montiert ist, einen Wasserstoffgaseinlass 120, einen Kohlenmonoxidgaseinlass 130, und einen Kohlenmonoxidgasauslass 140. Jede der Einlässe 120und 130 und der Auslass 140 wird mit einem Ventilmechanismus (nicht gezeigt) ausgestattet, um einen unerwünschten Einstrom von Wasserstoffgas oder Kohlenmonoxidgas zu der Probenhalterungseinheit 100 und einen unerwünschten Ausstrom von Kohlenmonoxidgas aus der Probenhalterungseinheit 100 zu verhindern. Die Wasserstoffgaseinspeisung in die Probenhalterungseinheit 100 wird der Luft über einen nicht gezeigten Auslass freigesetzt.
Die Wasserstoffgaszuführungseinheit 200 besitzt eine Wasserstoffgaszuführungsleitung 210, durch welche die Zuführung vom Wasserstoffgas zu der Probenhalterungseinheit 100 eingespeist wird. Die Wasserstoffgaszuführungseinheit 210 ist mit dem Wasserstoffgaseinlass 120 verbunden. Die Wasserstoffgaszuführungseinheit 200 führt die Zuführung von Wasserstoffgas zu, um die Elektrodenkatalysatorprobe S als Vorbehandlung der Zellleistungsbewertung zu reduzieren. Die Wasserstoffgaszuführungseinheit 200 wird auch mit einem Heizgerät (nicht gezeigt) zum Erhitzen des Wasserstoffgases und einer Zuführungspumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen des Wasserstoffgases ausgestattet. Die Temperatur des zugeführten Wasserstoffgases ist in einem Bereich von 80°C bis 200°C.
Die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300 besitzt eine Kohlenmonoxidgaszuführungsleitung 310, durch welche die Zuführung von Kohlenmonoxidgas zu der Probenhalterungseinheit 100 eingespeist wird. Die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 310 ist mit dem Kohlenmonoxidgaseinlass 130 verbunden. Die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300 ist auch mit einem Heizgerät (nicht gezeigt) zum Erhitzen des Kohlenmonoxidgases und einer Zuführungspumpe (nicht gezeigt) zum Einspeisen des Kohlenmonoxidgases ausgestattet. Die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300 speist eine voreingestellte Masse an Kohlenmonoxidgas impulsartig bei 80°C ein.
Die Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 besitzt eine Kohlenmonoxidgaseinführungsleitung 410, welche mit den Kohlenmonoxidgasauslass 440 verbunden ist und zur Einführung eines nicht adsorbierten Kohlenmonoxidgases in die Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 verwendet wird. Die Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 wird auch mit einem Messfühler bzw. -sensor (nicht gezeigt) zum Messen der Menge an Kohlenmonoxid, die in dem eingeführten Kohlenmonoxidgas eingeschlossen ist, und einer Saugpumpe zum Beschleunigen der Einführung des Kohlenmonoxidgases ausgestattet.
Die Berechnungseinheit 500 ist mit der Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 verbunden und berechnet die Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid (Ncc/g-Pt) durch die Elektrodenkatalysatorprobe S aus der Differenz zwischen der Gesamtmenge an Kohlenmonoxid, die in der Zuführung von Kohlenmonoxidgaseinspeisung zu der Probenhalterungseinheit 100 eingeschlossen ist, und der Menge an Kohlenmonoxid, die durch die Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 gemessen wird. Die Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid, die hierbei berechnet wird, ist die Menge an Adsorption (Einheit: cc) pro Einheitsmasse an Platin bei Standardbedingungen. Die Berechnungseinheit 500 berechnet den Erwartungswert der IR-Kompensationsspannung Vi in der Einheitszelle mit dem Elektrodenkatalysator, basierend auf der berechneten Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid.
Das Steuerungsgerät 600 gibt einen Befehl zum Zuführen von Wasserstoffgas an die Wasserstoffgaszuführungseinheit 200 und einen Befehl zum Zuführen von Kohlenmonoxidgas an die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300 in einer voreingestellten Reihenfolge. Das Steuerungsgerät 600 empfängt die beobachtete Menge an Kohlenstoffmonoxid aus der Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 und betätigt die Berechnungseinheit 500, um die Menge an Kohlenmonoxid, die durch die Elektrodenkatalysatorprobe S adsorbiert wird, zu berechnen. Im folgenden wird die voreingestellte Reihenfolge, das detaillierte Steuerungsverfahren, und ein Bewertungsverfahren, das dieses Bewertungsgerät verwendet, beschrieben.
Fig. 8 ist ein Flussdiagramm, das das detaillierte Verfahren des Bewertungsschrittes S20 zeigt. Der Bewertungsschritt S20 bewertet jeden Elektrodenkatalysator von Interesse mit dem vorstehend beschriebenen Bewertungsgerät für Brennstoffzellen. Der Bewertungsschritt S20 wiegt zunächst annähernd 0,06 g einer Elektrodenkatalysatorprobe S von Interesse aus, welche auf der Elektrolytmembran fixiert wird, und platziert die Elektrodenkatalysatorprobe S auf den Probentisch 110 (Unterschritt S21). Die Elektrodenkatalysatorprobe S, die hierbei getestet wird, wird durch das Elektrodenkatalysatorherstellungsverfahren S1 bis S4 hergestellt, und besitzt Kohlenstoff als den Träger mit einer vorbestimmten Menge einer Legierung von Platin Pt und Eisen Fe, die darauf geträgert sind.
Nach Platzieren der hergestellten Elektrodenkatalysatorprobe S auf dem Probentisch 110, führt der Bewertungsschritt S20 die Vorbehandlung aus, um das durch die Platin-Eisenlegierung adsorbierte Gas zu reduzieren und zu entfernen (Unterschritt S22). Dieses Reduktionsverfahren betätigt die Wasserstoffgaszuführungseinheit 200, um einen Strom an Wasserstoffgas bei 80 bis 200°C für 15 Minuten in die Probenhalterungseinheit 100 strömen zu lassen.
Im allgemeinen ist die höhere Reduktionstemperatur für die verstärkte Reduktionsreaktion bevorzugt. Zum Beispiel führt ein Bewertungstest für einen Emissionssteuerungskatalysator, der Kohlenmonoxid im Abgas adsorbiert, Oxidation und Reduktion einer Probe mit gasförmigen Sauerstoff und gasförmigen Wasserstoff bei ungefähr 400°C aus. Das Verfahren der Ausführungsform führt jedoch die Reduktion der Elektrodenkatalysatorprobe S nur mit gasförmigen Wasserstoff in einem relativ niedrigen Temperaturbereich von ungefähr 80 bis 200°C aus, um das Sintern zu verhindern.
Das ausreichende Voranschreiten der Reduktion in diesem Temperaturbereich wurde bestätigt. Es wird angenommen, dass ein CO-Molekül relativ zu einem Metallatom adsorbiert wird, das auf der Oberfläche des Metallteilchens der Platin-Eisenlegierung erscheint. Der Teilchendurchmesser des Platinteilchens wird aus der Menge an adsorbierten CO-Molekülen (Ncc/g-Pt) berechnet. In dem Fall der unzureichenden Reduktion sind alle Metallatome, die auf der Oberfläche des Metallteilchens erscheinen, nicht aktiv (besitzen keinen Beitrag zur Reaktion). Die Gesamtmenge der adsorbierten CO-Moleküle wird demgemäss verringert. Die geschätzte Zahl an Metallatomen, die auf der Oberfläche der Metallteilchen in dem Fall der unzureichenden Reduktion erscheint, ist folglich geringer als diejenige in dem Fall der ausreichenden Reaktion. Obwohl die tatsächliche Zahl der Metallatome, die auf der Oberfläche der Metallteilchen erscheint, praktisch in beiden Fällen identisch ist, werden die inaktiven Metallatome als abwesend betrachtet. Der Teilchendurchmesser des Metallteilchens, der aus der Menge der Adsorption der CO- Moleküle berechnet wird, ist demgemäss größer als der tatsächliche Teilchendurchmesser des Metallteilchens, das zum Beispiel durch Röntgenstrahldiffraktion (XRD) bestimmt wird. In dem Fall der ausreichenden Reduktion sind andererseits alle Metallatome, die auf der Oberfläche des Metallteilchens erscheinen, aktiv, und die Zahl der Metallatome, die auf der Oberfläche des Metallteilchens erscheinen, wird genau geschätzt. Der Teilchendurchmesser des Metallteilchens, das aus der Menge der Adsorption der CO-Moleküle berechnet wird, stimmt demgemäss mit dem tatsächlichen Teilchendurchmesser des Metallteilchens, das durch Röntgenstrahldiffraktion bestimmt wird, überein. Dieses Verfahren wurde angewendet, um den ausreichenden Fortschritt der Reduktion in dem vorstehenden Temperaturbereich zu bestätigen. Der Teilchendurchmesser des Metallteilchens, das durch Röntgenstrahldiffraktion ermittelt wurde, betrug ungefähr 2,6 nm.
Nach Vervollständigung der Reduktion mit dem Wasserstoffgas, betätigt der Bewertungsschritt S20 die Kohlenmonoxidgaszuführungseinheit 300, um 100% Kohlenmonoxidgas in einer impulsähnlichen Form in die Probenhalterungseinheit 100 einzuführen (Unterschritt S23). In dieser Ausführungsform beträgt die Menge an Kohlenmonoxidgas, die jedesmal eingeführt wird, 1 cc, und die Einführung wird sechsmal wiederholt. Die Gesamtmenge an Kohlenmonoxidgas, die in die Probenhalterungseinheit 100 eingeführt wird, beträgt demgemäss 6 cc. Die Berechnungseinheit 500 subtrahiert die Menge an Kohlenmonoxid, die durch die Kohlenmonoxidgasdetektoreinheit 400 gemessen wird, von der Gesamtmenge an Kohlenmonoxid, um die Menge an Kohlenmonoxid, das durch die Elektrodenkatalysatorprobe S adsorbiert wird, zu bestimmen (Unterschritt S24).
Diese Reihe des Verfahrens vervollständigt die Bewertung des Platin-Eisenlegierungskatalysators. Das Verfahren schreitet zu dem Entscheidungsschritt S27 voran, um Nicht-Defekte oder Defekte des Elektrodenkatalysators zu bestimmen, basierend auf der berechneten Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid. In dieser Ausführungsform wird der Elektrodenkatalysator mit der berechneten Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid von nicht weniger als 14 Ncc/g als nicht defekt bestimmt. Die Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid wird zur Bestimmung von Nicht-Defekt oder Defekt des Elektrodenkatalysators verwendet, aus den folgenden Gründen.
Tabelle 4 zeigt die beobachtete Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid und den beobachteten Wert der IR- Kompensationsspannung Vi bei Betrachtung der Platin- Eisenlegierungselektrodenkatalysatoren, die hergestellt wurden. Die IR-Kompensationsspannung Vi wurde in einer Einheitszelle mit MEA von jedem Elektrodenkatalysator gemessen. Die wesentliche Variation der Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid in Tabelle 4 wird einer großen Variation der spezifischen Oberfläche von Kohlenstoff zugeschrieben. Wie vorstehend erwähnt, korreliert die Adsorption von Kohlenmonoxid gut mit der aktiven Rate der Platin- Eisenlegierung. Elektrodenkatalysatoren, die aus dem Kohlenstoffträger mit einer identischen spezifischen Oberfläche hergestellt wurden, können eine Variation der Zellenleistungen aufgrund der variierenden Bedingungen des Herstellungsverfahrens aufweisen. In derartigen Fällen ist die Messung der Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid zur genauen Bewertung der Leistung des Elektrodenkatalysators effektiv. Tabelle 4
Die Ergebnisse von Tabelle 4 werden in dem Diagramm von Fig. 9 aufgetragen. Wie aus dem Diagramm von Fig. 9 deutlich ersichtlich ist, ist die IR-Kompensationsspannung Vi der Brennstoffzelle proportional zur Menge des Kohlenmonoxids, das durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wird. Das heißt die IR-Kompensationsspannung Vi nimmt mit einer Zunahme der Quantität des adsorbierten Kohlenmonoxids durch den Elektrodenkatalysator zu. Der Zusammenhang zwischen der IR-Kompensationsspannung und der Menge an adsorbiertem Kohlenmonoxid ist näherungsweise eine lineare Funktion. Die Messung der Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid durch den Elektrodenkatalysator bestimmt demgemäss die erwartete IR-Kompensationsspannung der resultierenden Brennstoffzelle und ermöglicht so die Bewertung der Leistung der resultierenden Brennstoffzelle.
Wie vorstehend beschrieben bewertet das Bewertungsverfahren der zweiten Ausführungsform die pulverförmige Form von jedem Elektrodenkatalysator als die Probe und schätzt dadurch die Eigenschaften einer resultierenden Brennstoffzelle einschließlich des Elektrodenkatalysators ab. Dieses Bewertungsverfahren bedarf keiner Fixierung des Elektrodenkatalysators auf die Elektrolytmembran noch der Herstellung einer Einheitsbrennstoffzelle. Die Zellleistung einer Einheitszelle oder Stapels von Brennstoffzellen wird abgeschätzt, indem einfach die Menge an Kohlenmonoxid, das von der pulverförmigen Form des Elektrodenkatalysators adsorbiert wird, gemessen wird. Diese Anordnung vereinfacht wesentlich die Reihe der Bewertungsverfahren, verglichen mit dem herkömmlichen Bewertungsverfahren, das die Fixierung des Elektrodenkatalysators auf die Elektrolytmembran und die Bildung des MEAs erfordert.
Das Bewertungsverfahren der Ausführungsform spezifiziert die spezifische Oberfläche des Elektrodenkatalysators und schätzt die Leistung der Brennstoffzelle einschließlich des Elektrodenkatalysators ein, basierend auf der Menge an Kohlenmonoxid, das durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wurde. Anders als im elektrochemischen Bewertungsverfahren des Stands der Technik, das dem Elektrodenkatalysator zur Messung des elektrischen Stroms Elektrizität zuführt, verkürzt dieses auf der Menge des adsorbierten Kohlenmonoxids basierende Bewertungsverfahren in wünschenswerter Weise die Gesamtmesszeit und vereinfacht vorteilhafter Weise das Messverfahren. Bei dem Bewertungsverfahren der Ausführungsform wird Kohlenmonoxidgas als das Gas mit Einfachzusammensetzung verwendet. Das Gas mit Einfachzusammensetzung ist jedoch nicht auf Kohlenmonoxidgas beschränkt, sondern kann Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas sein. Wenn Wasserstoffgas als das Gas mit Einfachzusammensetzung angewendet wird, während die Temperatur des Wasserstoffgases reguliert wird, werden der Reduktions- und Adsorptionsmengenmessungsunterschritt individuell ausgeführt.
Verglichen mit dem CV-Verfahren, welches das elektrochemische Bewertungsverfahren ist, stellt das auf der Menge des adsorbierten Kohlenmonoxids basierende Bewertungsverfahren der Ausführungsform eine genauere Bewertung der Leistung der Brennstoffzelle (Elektrodenkatalysator) sicher. Das Bewertungsverfahren der Ausführungsform erfordert nicht, dass die Katalysatorprobe mit dem Elektrolyt für ausreichende elektrische Leitfähigkeit bedeckt wird. Dieses Verfahren vermindert folglich wesentlich oder eliminiert sogar den Anteil des Katalysators, der keinen Beitrag zur tatsächlichen katalytischen Reaktion aufweist.
Das Herstellungsverfahren der zweiten Ausführungsform, das das vorstehende Bewertungsverfahren einschließt, stellt den Platin- Eisenlegierungselektrodenkatalysator her, bewertet die Leistung des Elektrodenkatalysators vor der Herstellung einer Elektrode und stellt eine Einheitszelle und dadurch einen Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des bewerteten Elektrodenkatalysators mit den herausragenden Eigenschaften her. Dies führt zur geringen Variation der Leistung unter den jeweiligen Einheitszellen und ermöglicht die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit hoher Leistung. Die Leistung der Brennstoffzelle kann ohne tatsächliche Produktion der Elektrode auf der Elektrolytmembran bewertet werden. Diese Anordnung vereinfacht die gesamte Reihe von Herstellungsverfahren und verhindert effektiv die Herstellung von defekten MEAs, die unzureichende Leistungen aufweisen. Diese Anordnung ist folglich vorteilhaft zum Einsparen von Ressourcen. Eine mögliche Anwendung teilt die Elektrodenkatalysatoren in eine Vielzahl von Graden ein, die auf der Quantität des adsorbierten Kohlenstoffmonoxids basieren und wählt einen Elektrodenkatalysator des geeigneten Grads zur Herstellung des MEAs und zum Aufbau des Brennstoffzellenstapels aus.
Der Bewertungsschritt S20 für den Elektrodenkatalysator in dem Herstellungsverfahren der zweiten Ausführungsform kann auf verschiedene Wege modifiziert werden. Vier modifizierte Verfahren des Bewertungsschrittes S20 werden nachstehend diskutiert:

1. Bewertung durch EDX-Analyse
2. Bewertung durch EXAFS-Analyse
3. Bewertung, basierend auf Temperatur von vollständiger Sauerstofffreisetzung
4. Bewertung basierend auf Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung

(1) Bewertung durch EDX-Analyse

Das erste modifizierte Verfahren des Bewertungsschritts S20 wendet die EDX-Analyse zur Bewertung des Elektrodenkatalysators an. Die EDX-Analyse stellt die energiedispersive Röntgenstrahlanalyse dar, welches den durch das Herstellungsverfahren S1 bis S4 erhaltenen pulverförmigen Platin- Eisenlegierungskatalysator einen Elektrodenstrahl aussetzt und das durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit den konstituierenden Atomen des pulverförmigen Katalysators erzeugte Röntgenstrahlspektrum analysiert. Die Analyse spezifiziert das Verhältnis von Eisen zu Platin, das in den jeweiligen Katalysatorteilchen des pulverförmigen Elektrodenkatalysators eingeschlossen ist. Das Verhältnis der Zahl der Basismetallatome zu der Zahl der Edelmetallatome in dem Katalysatorteilchen, das durch diese Technik bestimmt wird, ist von dem einfachen Atomverhältnis oder Gewichtsverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall als die auf dem Träger geträgerte Gesamtmenge verschieden. Der Elektrodenkatalysator mit dem Atomzahlverhältnis, das gleich oder größer als der spezifizierte Wert ist, stellt die verstärkte katalytische Funktion des Edelmetalls sicher und übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus. Die EDX-Analyse, die in dem ersten modifizierten Verfahren angewendet wurde, verwendete VOYAGER (NORAN) als eine analysierende Vorrichtung und wendete eine beschleunigende Spannung von 200 kV und einen Strahldurchmesser von 2 Nanometer als analysierende Bedingungen an.
Nach der Bewertung durch EDX-Analyse, wird der Entscheidungsschritt S27 ausgeführt, um Defekte oder Nicht- Defekte, basierend auf den Ergebnissen der Bewertung, zu ermitteln. In diesem Verfahren wurde der Elektrodenkatalysator mit dem Fe/Pt-Atomzahlverhältnis von nicht weniger als 0,14 durch die EDX-Analyse als nicht defekt bestimmt. Die Daten von Tabelle 2 und andere experimentelle Daten werden in dem Diagramm von Fig. 10 aufgezeichnet. Das Atomzahlverhältnis von Eisen zu Platin durch die EDX-Analyse, das heißt Fe/Pt von nicht weniger als 0,14 ergibt die IR-Kompensationsspannung von nicht weniger als 740 Millivolt in der resultierenden Brennstoffzelle. Der Elektrodenkatalysator mit dem Atomzahlverhältnis, das gleich oder größer als diese durch die EDX-Analyse spezifizierte Wert (0,14) ist, übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus. Es besteht eine Tendenz, das das höhere Verhältnis der Zahl von Eisenatomen zu der Zahl von Platinatomen durch die EDX-Analyse zu einer höheren IR-Kompensationsspannung der resultierenden Brennstoffzelle führt. Eine mögliche Anwendung teilt die Elektrodenkatalysatoren in mehrere auf dem Atomzahlverhältnis basierende Grade ein und wählt einen Elektrodenkatalysator des geeigneten Grads zur Herstellung des MEAs und zum Aufbau des Brennstoffzellenstapels aus.

(2) Bewertung durch EXAFS-Analyse

Das zweite modifizierte Verfahren des Bewertungsschritts S20 wendet die EXAFS-Analyse zur Bewertung des Elektrodenkatalysators an. Die EXAFS-Analyse setzt die Probe dem Röntgenstrahl mit variierender Frequenz aus und spezifiziert die Anordnung in der Nanometergrößenordnung, basierend auf der Feinstruktur, die auf dem resultierenden Absorptionsspektrum erscheint. In dem Elektrodenkatalysator, das dem Röntgenstrahl ausgesetzt wird, werden spezifische Elektronen der inneren Schalen des Platinatomstargets gemäß der Wellenlänge der Aussetzung angeregt und als Fotoelektronen hinausgeschleudert. Die Fotoelektronen werden bei der Anwesenheit von einem Eisenatom, das nahe an dem Platinatomtarget liegt, gestreut. Die Streuung wird als die Feinstruktur des Absorptionsspektrums beobachtet. Die Analyse der Feinstruktur des Absorptionsspektrums ergibt eine Information hinsichtlich des Basismetallatoms, wie etwa Eisen, das in der Nachbarschaft des Platinatomtargets vorhanden ist (zum Beispiel Identifizierung des Basismetallatoms und dessen Abstand). Das Verhältnis der bindenden Zahl des Edelmetallatoms mit dem Basismetallatom zu der gesamten bindenden Zahl des Edelmetallatoms, das durch diese Technik bestimmt wird, zeigt die Atomanordnung der Legierung und ist von dem einfachen Atomverhältnis oder Gewichtsverhältnis verschieden. Der Elektrodenkatalysator mit dem Verhältnis der Atombindungszahl, die gleich oder größer als der spezifische Wert ist, stellt die verstärkte katalytische Funktion des Edelmetalls sicher und übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus.
Die EXAFS-Analyse, die in dem zweiten modizifizierten Verfahren angewendet wird, verwendete die Photon Factory Beam Line 9A (2,5 GeV, Speicherring), KEK (High Energy Accelerator Research Organization), Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology. Das verwendete optische Spektrometer war ein Si Doppelkristallmonochrometer. Eisen und Platin wurden jeweils in drei oder vier Blöcke geteilt. Eisen wurde gemessen, während die Energie allmählich um die minimale Schrittbreite von 1 eV von dem Minimum von 6800 eV zu einem Maximum von 8000 eV erhöht wurde. Platin wurde andererseits gemessen, während die Energie allmählich um die minimale Schrittbreite von 1 eV von dem Minimum 11000 eV zu dem Maximum 12500 eV erhöht wurde.
Nach der Bewertung durch die EXAFS-Analyse, wird der Entscheidungsschritt S27 ausgeführt, um Defekte oder Nicht- Defekte, basierend auf Ergebnissen der Bewertung, zu ermitteln. In diesem modifizierten Verfahren, wurde der Elektrodenkatalysator mit dem Wert (Fe-Pt)/{(Fe-Pt)+(Pt-Pt)} von nicht weniger als 0,10 durch die EXAFS-Analyse als nicht defekt bestimmt. Die Daten von Tabelle 3 und andere experimentelle Daten werden in dem Diagramm von Fig. 11 aufgezeichnet. Das Verhältnis der bindenden Zahl von Platinatomen mit den Eisenatomen zu der gesamten bindenden Zahl an Platinatomen durch die EXAFS-Analyse von nicht weniger als 0,10 ergibt die IR-Kompensationsspannung von nicht geringer als 740 Millivolt in der resultierenden Brennstoffzelle. Der Elektrodenkatalysator mit dem bindenden Zahlverhältnis, das gleich oder größer als dieser durch EXAFS- Analyse spezifizierte Wert (0,10) ist, übt die herausragende Aktivität als der Elektrodenkatalysator für Brennstoffzellen aus. Es besteht eine Tendenz, dass das höhere Bindungszahlverhältnis durch die EXAFS-Analyse zu einer höheren IR-Kompensationsspannung der resultierenden Brennstoffzelle führt. Eine mögliche Anwendung teilt die Elektrodenkatalysatoren in mehrere auf den durch EXAFS- Analyse bestimmten Bindungszahlverhältnis basierenden Graden ein und wählt einen Elektrodenkatalysator des geeigneten Grads zur Herstellung des MEAs und zum Aufbau eines Brennstoffzellstapels aus.

(3) Bewertung basierend auf der Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung

Das dritte modifizierte Verfahren des Bewertungsschrittes S20 platziert den pulverförmigen Elektrodenkatalysator, der durch das Herstellungsverfahren S1 bis S4 hergestellt wurde, in einen Freisetzungsdetektor 700, der in Fig. 12 gezeigt wird, um die Temperatur der vollständigen Gasfreisetzung zu messen. Der Freisetzungsdetektor 700 beinhaltet einen Probentisch 710, auf welchem eine pulverförmige Elektrodenkatalysatorprobe S montiert ist, ein Behälter 720, der den Probentisch 710 auf eine luftdichte Weise enthält, eine Temperaturregulatoreinheit 730, die die Temperatur in dem Behälter 720 mit der Zeit reguliert, eine Gasdetektoreinheit 740, die das freigesetzte Gas detektiert, und eine inerte Gaszuführungseinheit 750, die den Behälter 720 mit einem inerten Gas (zum Beispiel Heliumgas) füllt und das inerte Gas kontinuierlich dem Behälter 720 zuführt. Wie in dem Flussdiagramm von Fig. 13 gezeigt, platziert das dritte modifizierte Verfahren des Bewertungsschritts S20 eine vorbestimmte Menge einer pulverförmigen Elektrodenkatalysatorprobe auf dem Probentisch 710 in dem Behälter 720 (Schritt S201), und führt dem Behälter 720 Heliumgas zu, um die Innenseite des Behälters 720 mit dem zugeführten Heliumgas zu reinigen (Schritt S202). Das Verfahren betätigt die Temperaturregulatoreinheit 730, um die interne Temperatur des Behälters 720 gemäß einem in Fig. 14 gezeigten Temperaturprofil zu regulieren (Schritt S203), während eine kontinuierliche Zuführung des Heliumgases sichergestellt wird.
Das Verfahren betätigt die Gasdetektoreinheit 740, um die Menge des aus dem pulverförmigen Elektrodenkatalysator freigesetzten Gases zu messen (Schritt S205), wenn die Temperatur in dem Behälter 720 gemäß dem Temperaturprofil von Fig. 14 reguliert wird. Das Verfahren bewertet anschließend die vollständige Gasfreisetzungstemperatur, basierend auf der beobachteten Menge des freigesetzten Gases (Schritt S206). In diesem modifizierten Verfahren, ist das detektierte Gas Sauerstoffgas. Sauerstoffgas wird aus dem Elektrodenkatalysator mit einer Erhöhung der Temperatur freigesetzt, und Sauerstofffreisetzung ist bei einer spezifischen Temperatur vervollständigt. Die vollständige Gasfreisetzungstemperatur stellt eine Temperatur dar, bei welcher die Variation der Menge des freigesetzten Gases innerhalb 10% unter der Bedingung einer Temperaturerhöhung in dem Behälter 720 um 10°C fällt. Die beobachteten Mengen an freigesetztem Sauerstoffgas im Hinblick auf die Vielzahl von Elektrodenkatalysatoren werden in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5 zeigt auch die Daten der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur, die nachstehend als das modifizierte Verfahren 4 diskutiert wird. Tabelle 5
Die Daten von Tabelle 5 werden in dem Diagramm von Fig. 15 aufgezeichnet, die Menge an detektiertem Gas (O₂) als Ordinate und die Probentemperatur als Abszisse. Die Gasdetektoreinheit 740, die zur Messung der Menge des freigesetzten Gases verwendet wird, ist ein GC-MS, das eine elektrische Ladung an ein spezifisches Gas anlegt und die Menge des Gases in Realzeit misst. Fig. 16 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus jedem Elektrodenkatalysator und die IR-Kompensationsspannung in jeder Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator einschließt, zeigt.
Nach der Bewertung der vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur des durch das Herstellungsverfahren S1 bis S4 hergestellten Elektrodenkatalysators, wird der Entscheidungsschritt S27 ausgeführt, um Defekte oder Nicht-Defekte, basierend auf den Ergebnissen der Bewertung, zu bestimmen. In diesen modifizierten Verfahren wurde der Elektrodenkatalysator mit der vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur von nicht mehr als 280°C als nicht defekt bestimmt und dem nachfolgenden Brennstoffzellenaufbauverfahren zugeführt. Der Elektrodenkatalysator mit der vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur von nicht mehr als 280°C wurde aus dem folgenden Grund als nicht defekt bestimmt. Wie sich aus dem Diagramm von Fig. 16 ergibt, das den Zusammenhang zwischen der vollständigen Sauerstoffreisetzungstemperatur von jedem Elektrodenkatalysator und der IR-Kompensationsspannung Vi in der Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator einschließt, zeigt, ergibt die Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator mit der vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur von nicht höher als 280°C einschließt, die IR-Kompensationsspannung von nicht geringer als 760 Millivolt.
Das dritte modifizierte Verfahren misst die vollständige Sauerstoffreisetzungstemperatur bei dem Bewertungsschritt S20 und bestimmt Defekte oder Nicht-Defekte des Elektrodenkatalysators, basierend auf der beobachteten vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur bei dem Entscheidungsschritt S27. Der Elektrodenkatalysator mit der vollständigen Sauerstofffreisetzungstemperatur von nicht höher als 280°C wird als der Nicht-Defekte zur Herstellung eines MEAs verwendet. Der Elektrodenkatalysator, der diese Bedingung erfüllt, ergibt eine geringe Variation der Leistung des MEAs und stellt die bevorzugte Leistung einer Einheitszelle und eines resultierenden Brennstoffzellenstapels sicher. Es besteht eine Tendenz, dass die geringere vollständige Sauerstoffreisetzungstemperatur zu der höheren IR- Kompensationsspannung der resultierenden Brennstoffzelle führt. Eine mögliche Anwendung teilt die Elektrodenkatalysatoren in eine Vielzahl von auf der vollständigen Sauerstoffreisetzungstemperatur basierenden Graden ein und wählt einen Elektrodenkatalysator des geeigneten Grads zur Herstellung des MEAs und zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels aus.

(4) Bewertung, basierend auf der Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung

Das vierte modifizierte Verfahren des Bewertungsschrittes S20 platziert den pulverförmigen Elektrodenkatalysator, der durch das Herstellungsverfahren S1 bis S4, der in Fig. 12 gezeigt wird, in den Freisetzungsdetektor 700, um die Peaktemperatur der Gasfreisetzung zu messen. Der Freisetzungsdetektor 700 ist mit demjenigen identisch, der in dem dritten modifizierten Verfahren zum Messen der vollständigen Gasfreisetzungstemperatur verwendet wird, und die Gasdetektoreinheit 750 detektiert die Menge des Kohlendioxids, anstelle der Menge an Sauerstoff. Das vierte modifizierte Verfahren des Bewertungsschrittes S20 folgt auch dem Flussdiagramm von Fig. 13, bis auf die Messung der Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung. Das Verfahren platziert zunächst eine vorbestimmte Menge an pulverförmiger Elektrodenkatalysatorprobe auf dem Probentisch 710 in dem Behälter 720 (Schritt S201), und führt dem Behälter 720 Heliumgas zu, um die Innenseite des Behälters 720 mit dem zugeführten Heliumgas zu reinigen (Schritt S202). Das Verfahren betätigt die Temperaturregulatoreinheit 730, um die interne Temperatur des Behälters 720 gemäß dem in Fig. 14 gezeigten Temperaturprofil zu regulieren (Schritt S203), während eine kontinuierliche Zuführung des Heliumgases sichergestellt wird.
Das Verfahren betätigt die Gasdetektoreinheit 740, um die Menge des aus dem pulverförmigen Elektrodenkatalysator freigesetzten Gases zu messen (Schritt S205), während die Temperatur in dem Behälter 720 gemäß dem Temperaturprofil von Fig. 14 reguliert wird. Das Verfahren bewertet anschließend die Gasfreisetzungspeaktemperatur, basierend auf der beobachteten Menge des freigesetzten Gases (Schritt S206). In diesem modifizierten Verfahren ist das detektierte Gas Kohlendioxidgas. Kohlendioxidgas wird aus dem Elektrodenkatalysator mit einer Zunahme der Temperatur freigesetzt, und die Freisetzung des Gases ist am heftigsten bei einer spezifischen Peaktemperatur. Die Gasfreisetzungspeaktemperatur stellt eine Probentemperatur dar, bei welcher die Menge der Gasfreisetzung ihr Maximum unter der Bedingung einer allmählichen Temperaturzunahme in dem Behälter 720 zeigt. Die beobachteten Peaktemperaturen werden in dem Diagramm von Fig. 17 gezeigt. Die beobachtete Kohlendioxidgasfreisetzung von jedem Elektrodenkatalysator besitzt einen klaren Peak. Die beobachteten Peaktemperaturen werden auch in Tabelle 5 wie vorstehend erwähnt gezeigt.
Nach der Bewertung der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur des Elektrodenkatalysators, der durch das Herstellungsverfahren S1 bis S4 hergestellt wurde, wird der Entscheidungsschritt S27 ausgeführt, um Defekte oder Nicht-Defekte, basierend auf den Ergebnissen der Bewertung zu bestimmen. In diesem modifizierten Verfahren wurde der Elektrodenkatalysator mit der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur von nicht mehr als 300°C als nicht defekt bestimmt und dem anschließenden Brennstoffzellenaufbauverfahren zugeführt. Der Elektrodenkatalysator mit der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur von nicht mehr als 300°C wurde aus dem folgenden Grund als nicht defekt bestimmt. Wie aus dem Diagramm von Fig. 18 ersichtlich ist, das den Zusammenhang zwischen der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur von jedem Elektrodenkatalysator und der IR-Kompensationsspannung Vi in der Brennstoffzelle zeigt, die den Elektrodenkatalysator einschließt, ergibt die Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator mit der Kohlendioxidfreisetzungspeaktemperatur von nicht mehr als 300°C einschließt, die IR-Kompensationsspannung von nicht weniger als 760 Millivolt.
Das vierte modifizierte Verfahren misst die Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung bei dem Bewertungsschritt S20 und bestimmt Defekte oder Nicht-Defekte des Elektrodenkatalysators, basierend auf der beobachteten Peaktemperatur bei dem Entscheidungsschritt S27. Der Elektrodenkatalysator mit der CO₂- Freisetzungspeaktemperatur von nicht höher als 300°C wird als der Nicht-Defekte zur Herstellung eines MEAs verwendet. Der Elektrodenkatalysator, der diese Bedingung erfüllt, ergibt eine geringe Variation der Leistung des MEAs und stellt die bevorzugte Leistung einer Brennstoffzelle und eines resultierenden Brennstoffzellenstapels sicher. Es besteht eine Tendenz, dass die geringere Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung zu einer höheren IR-Kompensationsspannung der resultierenden Brennstoffzelle führt. Eine mögliche Anwendung teilt die Elektrodenkatalysatoren einer Vielzahl von auf der beobachteten CO₂-Freisetzungspeaktemperatur basierenden Graden ein und wählt einen Elektrodenkatalysator des geeigneten Grads zur Herstellung des MEAs und zum Aufbau des Brennstoffzellenstapels aus.
In der vorstehenden Beschreibung der ersten und der zweiten Ausführungsformen und den vier modifizierten Verfahren zur Bewertung des Elektrodenkatalysators wird die Unterstützungsdichte der Platin-Eisenlegierung in dem Elektrodenkatalysator nicht spezifisch erwähnt. Die Unterstützungsdichte der Platin-Eisenlegierung auf dem Kohlenstoffträger ist in einem adäquaten Bereich wählbar, indem die erforderten Leistungen der Brennstoffzelle berücksichtigt werden. Der in der Ausführungsform hergestellte Platin- Eisenlegierungskatalysator besitzt die Unterstützungsdichte, die in dem breiten Bereich von 15 bis 70%, wie in Fig. 5 gezeigt, einstellbar ist. Die Unterstützungsdichte des Elektrodenkatalysators wird auf einen optimalen Wert reguliert, in dem verschiedenen Parameter der resultierenden Brennstoffzelle berücksichtigt werden, die durch die Unterstützungsdichte beeinflusst werden, wie etwa der Wassergehalt. Der breite Bereich der Unterstützungsdichte, die die praktische IR-Kompensation der Spannung ergibt, ist beim Entwurf der Brennstoffzelle vorteilhaft.
In der zweiten vorstehend diskutierten Ausführungsform ist der Bewertungsschritt des Elektrodenkatalysators ein Teil des Herstellungsverfahrens des Brennstoffzellenstapels. Die Bewertung des Elektrodenkatalysators kann jedoch alleine ausgeführt werden. Das Bewertungsverfahren der Ausführungsform ermöglicht die Bewertung der Leistung des Edelmetall-Basismetall- Legierungselektrodenkatalysators ohne Herstellung des MEAs, der Einheitszelle oder des Brennstoffzellenstapels, was folglich die zur Entwicklung des Elektrodenkatalysators benötigte Zeit wesentlich verkürzt. Eine derartige Bewertung, die allein oder in Kombination in dem Verfahren zum Durchmustern verschiedener Kombinationen von diversen Metallen bei der anfänglichen Stufe der Entwicklung eines neuen Legierungskatalysators in erwünschter Weise ausgeführt wird, vermindert die Arbeit und die Zeit zur Bewertung der verschiedenen Kombinationen.
Der Elektrodenkatalysator, der in der Brennstoffzelle eingeschlossen ist, kann ein Platinkatalysator sein. Der Platinkatalysator wird gemäß dem Herstellungsverfahren des Platin-Eisenlegierungskatalysators der ersten Ausführungsform, die in dem Flussdiagramm von Fig. 1 gezeigt wird, hergestellt, bis auf den Eisenunterstützungsschritt S3. Der als der Träger verwendete Russ besaß eine spezifische Oberfläche in einem Bereich von 600 bis 800 m²/g. Der durch die Produktionsschritte S1, S2 und S4 hergestellte Katalysator wurde zur Herstellung eines MEA, einer Einheitszelle, und schließlich eines Brennstoffzellenstapels verwendet. Der resultierende Brennstoffzellenstapel besaß die IR-Kompensationsspannung Vi von nicht weniger als 740 Millivolt, welches die günstige Leistung der Brennstoffzelle sicherstellt. Die Brennstoffzelle, die den Platinkatalysator einschließt, die aus Platin allein zusammengesetzt ist, besitzt die günstige Eigenschaft, solange wie der Kohlenstoffträger die spezifische Oberfläche von nicht weniger als 600 m²/g und weniger als 1000 m²/g besitzt. Der Platinelektrodenkatalysator wurde durch die Menge des adsorbierten Kohlenmonoxids, die Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung, und die Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung, die vorstehend diskutiert wurden, als die modifizierten Verfahren der zweiten Ausführungsform bewertet.
Das Bewertungsgerät für Brennstoffzellen in der zweiten Ausführungsform, das in Fig. 7 gezeigt wird, bestimmt die Menge an Kohlenmonoxid, das durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wird. Das Bewertungsgerät kann verwendet werden, um die spezifische Oberfläche des Elektrodenkatalysators zu ermitteln. Die Berechnungseinheit 500 berechnet die spezifische Oberfläche des Elektrodenkatalysators aus der beobachteten Menge an adsorbierten Kohlenmonoxid, basierend auf einem Zusammenhang zwischen der Menge an Kohlenmonoxid, die durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wird, und der spezifischen Oberfläche des Elektrodenkatalysators. Im allgemeinen wird die Zellleistung mit einer Zunahme der spezifischen Oberfläche des Elektrodenkatalysators verbessert. Die spezifische Oberfläche, die durch die Berechnungseinheit 500 bestimmt wird, kann folglich als Angabe zum Durchmustern des Elektrodenkatalysators verwendet werden.
Die vorstehenden Ausführungsformen und deren Modifikationen und Anwendungen werden in allen Aspekten als illustrativ und nicht restriktiv betrachtet. Es gibt viele Modifikationen, Änderungen, und Abänderungen, ohne vom Umfang oder gar der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle Änderungen innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche sollen daher mit eingeschlossen sein.
Die vorstehenden Ausführungsformen betrachten den Legierungselektrodenkatalysator, der ein Edelmetall und ein Basismetall einschließt. Der Elektrodenkatalysator kann eine ternäre Legierung als eine Kombination von zwei Edelmetallen und einem Basismetall oder eine Kombination von einem Edelmetall und zwei Basismetallen, oder sogar eine quartäre oder hyperkomplexe Legierung als eine Kombination von zwei oder einer größeren Zahl von Edelmetallen und zwei oder einer größeren Zahl von Basismetallen einschließen. Das Bewertungsverfahren und das Herstellungsverfahren, die vorstehend diskutiert wurden, sind auf derartige ternäre, quartäre und hyperkomplexe Legierungselektrodenkatalysatoren anwendbar. In den vorstehenden Ausführungsformen wird der Elektrodenkatalysator vor der Fixierung auf die Elektrolytmembran als Probe verwendet. Die Probe kann alternativ der Elektrodenkatalysator sein, der auf die Elektrolytmembran (MEA) fixiert ist. Das Verfahren in dem letzteren Fall benötigt eine zusätzliche Fixierung einer gewünschten Menge des Elektrodenkatalysators an die Elektrolytmembran. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch die Messung der spezifischen Oberfläche des Elektrodenkatalysators und Bewertung der Leistungen der Brennstoffzelle in der tatsächlichen Anwendung des Elektrodenkatalysators.
Der Umfang und der Geist der vorliegenden Erfindung werden durch die angefügten Ansprüche angegeben, mehr als durch die vorgehende Beschreibung.
Die Technik der vorliegenden Erfindung erreicht eine einfache und genaue Bewertung der Leistung einer Brennstoffzelle und ermöglicht es, einen Hochleistungselektrodenkatalysator und eine Hochleistungsbrennstoffzelle herzustellen. Das Verfahren trägert Platin, ein Edelmetall, und Eisen, ein Basismetall, auf Kohlenstoff mit einer großen spezifischen Oberfläche, und erhitzt den Kohlenstoff mit Platin und Eisen auf eine spezifische Temperatur, um Eisen zu reduzieren. Ein resultierender Platin- Eisen-Legierungselektrodenkatalysator übt herausragende katalytische Funktionen aus. Eine Brennstoffzelle, die diesen Elektrodenkatalysator verwendet, besitzt eine hohe IR- Kompensationsspannung. Die Menge an Kohlenmonoxid, die durch diesen neuen Elektrodenkatalysator adsorbiert wird, ist nicht geringer als 14 Ncc pro einem Gramm Platin. Das Atomzahlverhältnis von Eisen (Fe) zu Platin (Pt) in dem Katalysator ist nicht geringer als 0,14 durch EDX-Analyse, und das Verhältnis der Bindungszahl von Pt-Atomen mit Eisenatomen zu der Gesamtbindungszahl, die sich auf Pt-Atome bezieht, ist nicht geringer als 0,10 durch EXAFS-Analyse. Jeder hergestellte Elektrodenkatalysator wird durch Messung dieser Daten bewertet. Die Brennstoffzelle, die den Elektrodenkatalysator mit dem günstigen Ergebnis der Bewertung einschließt, stellt die gewünschten Leistungen sicher.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators, der für eine Brennstoffzelle verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst:
einen Edelmetallunterstützungsschritt, der ein Edelmetall bei einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert trägert;
einem Basismetallunterstützungsschritt, der ein Basismetall bei einer spezifizierten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit dem darauf geträgerten Edelmetall trägert;
einem Erhitzungsschritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, auf eine spezifische Temperatur aufheizt, die die Reduktion des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls ermöglicht; und
einen legierenden Schritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall nach der Reduktion des Basismetalls bei der spezifischen Temperatur weiter aufheizt, um so das Edelmetall und das Basismetall auf den Kohlenstoffträger zu legieren.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Edelmetall Platin ist und das Basismetall Eisen ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträgers nicht geringer als 600 m²/g ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die spezifische Oberfläche des Kohlenstoffträgers nicht geringer als 800 m²/g ist.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die spezifische Temperatur für die Reduktion des Basismetalls in einem Bereich von 400°C bis 900°C ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die spezifische Temperatur für die Reduktion des Basismetalls in einem Bereich von 500°C bis 700°C ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Edelmetallunterstützungsschritt eine Platinkomplexlösung zu einer Dispersion von pulverförmigem Kohlenstoff gibt und abschließend ein oxidierendes Mittel mit der die Platinkomplexlösung einschließenden Dispersion mischt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Platinkomplexlösung eine wässrige Lösung von Platinsulfit ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Basismetallunterstützungsschritt eine Eisensalzlösung zu einer Dispersion von pulverförmigem Kohlenstoff mit darauf geträgerten Platin gibt, und eine Zuführungsrate der Eisensalzlösung zu der Dispersion von pulverförmigem Kohlenstoff von 0,88 bis 11 Millimol/Minute reicht.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Basismetallunterstützungsschritt anschließend eine Alkalilösung mit der Eisensalzlösung einschließenden Dispersion mischt, und eine Zuführungsrate der Alkalilösung zu der Eisensalzlösung einschließenden Dispersion von 1,25 bis 10 Millimol/Minute reicht.

11. Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle, wobei der Elektrodenkatalysator eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei ein Atomzahlverhältnis des Basismetalls zu dem Edelmetall nicht weniger als 0,14 in der EDX-Analyse beträgt.

12. Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle, wobei der Elektrodenkatalysator eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei ein Verhältnis einer bindenden Zahl von Edelmetallatom mit Basismetallatom zu einer sich auf das Edelmetallatom beziehenden Gesamtbindungszahl nicht weniger als 0,10 in der EXAFS-Analyse beträgt.

13. Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle, wobei der Elektrodenkatalysator eine Legierung eines Edelmetalls und eines auf einen Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls umfasst, wobei eine Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus einer pulverförmigen Form eines Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode nicht höher als 280°C ist.

14. Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle, wobei der Elektrodenkatalysator einer Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei eine Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung aus einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode nicht höher als 300°C ist.

15. Elektrodenkatalysator für eine Brennstoffzelle, wobei der Elektrodenkatalysator eine Legierung eines Edelmetalls und eines auf einen Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls umfasst, wobei eine Menge von adsorbierten Kohlenmonoxid in einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode nicht weniger als 12 Ncc pro Gramm des Edelmetalls beträgt.

16. Elektrodenkatalysator gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Edelmetall Platin und das Basismetall Eisen ist.

17. Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei das Bewertungsverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Zuführen eines Gases mit Einfachzusammensetzung in eine Halterungseinheit, in welcher der Elektrodenkatalysator, der für die Brennstoffzelle verwendet wird, gehalten wird;
Bestimmen einer Menge des Gases mit Einfachzusammensetzung, das von dem Elektrodenkatalysator adsorbiert wird; und
Berechnen eines Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus der bestimmten Menge des adsorbierten Gases mit Einfachzusammensetzung.

18. Bewertungsverfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Gas mit Einfachzusammensetzung aus der aus Kohlenmonoxidgas, Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas und Sauerstoffgas bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

19. Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei das Bewertungsverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen eines Atomzahlverhältnisses des Basismetalls zu dem Edelmetall in einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode durch EDX- Analyse; und
Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus dem vorbestimmten Verhältnis der Atomzahl.

20. Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, das einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei das Bewertungsverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen eines Verhältnisses einer bindenden Zahl eines Edelmetallatoms mit einem Basismetallatom zu einer gesamten bindenden Zahl, die sich auf das Edelmetallatom bezieht, in einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode durch EXAFS-Analyse; und
Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus dem vorbestimmten Verhältnis der Bindungszahl.

21. Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei das Bewertungsverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Messen einer Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus einer pulverförmigen Form eines Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode; und
Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus der beobachteten Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung.

22. Bewertungsverfahren der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei das Bewertungsverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Messen einer Peaktemperatur von Kohlendioxidfreisetzung aus einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode; und
Berechnen des Ausgangspotentials der Brennstoffzelle aus der beobachteten Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung.

23. Bewertungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das Edelmetall Platin ist und das Basismetall Eisen ist.

24. Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst:
einen Edelmetallunterstützungsschritt, der ein Edelmetall bei einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert trägert;
einen Basismetallunterstützungsschritt, der ein Basismetall bei einer spezifizierten Unterstützungsdichte auf dem Kohlenstoffträger mit dem darauf geträgerten Edelmetall trägert;
einen Erhitzungsschritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, auf eine spezifische Temperatur erhitzt, die die Reduktion des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls ermöglicht;
einen Legierungsschritt, der den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall nach der Reduktion des Basismetalls bei der spezifischen Temperatur weiter aufheizt, um so das Edelmetall und das Basismetall auf dem Kohlenstoffträger zu legieren;
einen Bewertungsschritt, der eine pulverförmige Form des legierten Elektrodenkatalysators bewertet; und
Fixieren der bewerteten pulverförmigen Form des Elektrodenkatalysators auf einer Elektrolytmembran, um eine Einheitszelle zu bilden.

25. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 24, wobei der Bewertungsschritt die folgenden Unterschritte umfasst:
Zuführen eines Gases mit Einfachzusammensetzung in eine Halterungseinheit, in welcher der Elektrodenkatalysator, der für die Brennstoffzelle verwendet wird, gehalten wird;
Bestimmen einer Menge des Gases mit Einfachzusammensetzung, die durch den Elektrodenkatalysator adsorbiert wird; und
Auswählen des Elektrodenkatalysators mit der vorbestimmten Menge des adsorbierten Gases mit Einfachzusammensetzung von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert als ein bewerteter pulverförmiger Katalysator.

26. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 25, wobei das Gas mit Einfachzusammensetzung, das in den Bewertungsschritt zugeführt wird, aus der aus Kohlenmonoxidgas, Kohlendioxidgas, Wasserstoffgas und Sauerstoffgas bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

27. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 24, wobei der Bewertungsschritt die folgenden Unterschritte umfasst:
Bestimmen eines Atomzahlverhältnisses des Basismetalls zu dem Edelmetall in einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode durch EDX- Analyse und
Auswählen des Elektrodenkatalysators mit dem Atomzahlverhältnis von nicht weniger als einem vorbestimmten Niveau als der bewertete pulverförmige Katalysator.

28. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 24, wobei der Bewertungsschritt die folgenden Unterschritt umfasst:
Bestimmen eines Verhältnisses einer bindenden Zahl von Edelmetallatom mit Basismetallatom zu einer gesamten bindenden Zahl, die sich auf das Edelmetallatom bezieht, in einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode durch EXAFS-Analyse; und
Auswählen des Elektrodenkatalysators, das das bindende Zahlverhältnis von nicht weniger als einem vorbestimmten Niveau als der bewertete pulverförmige Katalysator aufweist.

29. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 24, wobei der Bewertungsschritt die folgenden Unterschritte umfasst:
Messen einer Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung aus einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode und
Auswählen des Elektrodenkatalysators, der die beobachtete Temperatur der vollständigen Sauerstofffreisetzung von nicht höher als einem voreingestellten Niveau aufweist, als dem bewerteten pulverförmigen Katalysator.

30. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 24, wobei der Bewertungsschritt die folgenden Unterschritte umfasst:
Messen einer Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung aus einer pulverförmigen Form des Katalysators vor der Herstellung einer Elektrode und
Auswählen des Elektrodenkatalysators mit der beobachteten Peaktemperatur der Kohlendioxidfreisetzung von nicht höher als einem voreingestellten Niveau als den bewerteten pulverförmigen Katalysator.

31. Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei das Edelmetall Platin ist und das Basismetall Eisen ist.

32. Gerät zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators, das für eine Brennstoffzelle verwendet wird, wobei das Gerät umfasst:
ein Edelmetallunterstützungsmodul, das ein Edelmetall bei einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als einem vorbestimmten Wert trägert;
ein Basismetallunterstützungsmodul, das ein Basismetall bei einer spezifizierten Unterstützungsdichte auf dem Kohlenstoffträger mit dem darauf geträgerten Edelmetall trägert;
ein Erhitzungsmodul, das den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall, die darauf geträgert sind, auf eine spezifische Temperatur erhitzt, die die Reduktion des auf dem Kohlenstoffträger geträgerten Basismetalls ermöglicht und
ein legierendes Modul, das den Kohlenstoffträger mit dem Edelmetall und dem Basismetall nach der Reduktion des Basismetalls bei der spezifischen Temperatur weiter aufheizt, um so das Edelmetall und das Basismetall auf dem Kohlenstoffträger zu legieren.

33. Gerät zum Bewerten der Leistung einer Brennstoffzelle, die einen Elektrodenkatalysator verwendet, welcher eine Legierung eines Edelmetalls und eines Basismetalls, die auf einem Kohlenstoffträger geträgert sind, umfasst, wobei das Gerät umfasst:
ein Zuführungsmodul für Gas mit Einfachzusammensetzung, das ein Gas mit Einfachzusammensetzung in einer Halterungseinheit zuführt, in welche der Elektrodenkatalysator, der für die Brennstoffzelle verwendet wird, gehalten wird;
ein Adsorptionsmengenbestimmungsmodul, das eine Menge des Gases mit Einfachzusammensetzung, das von dem Elektrodenkatalysator adsorbiert wird, bestimmt und
ein Ausgangspotentialberechnungsmodul, das ein Ausgangspotential der Brennstoffzelle aus der vorbestimmten Menge des adsorbierten Gases mit Einfachzusammensetzung berechnet.

34. Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenkatalysators, der für eine Brennstoffzelle verwendet, wird, wobei ein Edelmetall mit einer vorbestimmten Unterstützungsdichte auf einem Kohlenstoffträger mit einer spezifischen Oberfläche von nicht weniger als 600 m²/g und weniger als 1000 m²/g geträgert wird.

35. Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei das Edelmetall Platin ist.