Gasdiffusionselektroden für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen mittels elektrochemischer Abscheidungsverfahren

Abstract

In den heutigen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) werden überwiegend teure, platinbasierte Edelmetallkatalysatoren verwendet. Von diesem Katalysatormaterial trägt aber ein Großteil nicht zur katalytischen Umsetzung der Reaktanten bei, da es sich nicht in der 3-Phasen-Zone zwischen ionenleitender, elektronenleitender und Reaktantphase befindet. In der Arbeit wurde die elektrochemische Abscheidung solcher Katalysatoren systematisch untersucht um diesen Kontakt zu verbessern. Durch die Erfindung einer potentiostatischen Abscheidung mit Wasserstoffverzehranode (WVA) kann dies gewährleistet werden, indem die Nebenreaktionen an der Arbeitselektrode vermieden und die Reaktionsbedingungen trocken gehalten werden. Hiermit ist es gelungen GDEs für die NT- und MT-PEMFC herzustellen, die bei gleicher Beladung abhängig von der Elektrodenseite einem kommerziellen Katalysator um bis zu 20% überlegen sind. Um die elektrochemische Abscheidung auch auf die höher beladenen GDEs in der HT-PEMFC und der DMFC übertragen zu können, wurde des Weiteren die galvanostatische Gelabscheidung hervorgebracht. Mit ihr ist es gelungen, Kathoden für die DMFC herzustellen, die bei vergleichbarer Performance eine Verringerung der Platinbeladung um 25% ermöglicht. Auch hier wurden sehr trockene Reaktionsbedingungen realisiert und die Nebenreaktionen deutlich verringert. Eine vollständige Vermeidung ist im Gegensatz zur potentiostatischen Abscheidung aber nicht möglich.

Nowadays, expensive and platinum based noble metal catalysts are used in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). However, a major part of this material is not used for the catalytic reaction due to the loss of contact to the 3-phase-zone between ion conducting, electron conducting and reactant phase. In the present work, the electrodeposition of these catalysts is reviewed systematically to improve this contact. The invention of a potentiostatic electrodeposition with a hydrogen depolarized anode (HDA) can assure this by avoiding of any side reaction on the working electrode and dry working conditions. Addicted to the electrode side, GDEs for NT- and MT-PEMFC could be produced with a rise in performance up to 20% compared to a commercial catalyst with a comparable loading. To assign the electrodeposition to the higher loaded GDEs in HT-PEMFC and DMFC a galvanostatic electrodeposition with a gel-type electrolyte was also established. So, a comparable DMFC performance could be achieved with a lowering of the platinum loading of 25%. This could be realized by dry working conditions and a decrease of the side reaction. A total prevention of this reaction is not possible in contrast to the potentiostatic electrodeposition.