Elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenkatalysatoren auf Gasdiffusionselektroden

Abstract

Um vor allem die Reduktion der Sauerstoffmoleküle an der Kathode in der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) mit der nötigen kinetischen Geschwindigkeit ablaufen zu lassen, sind heutzutage immer noch platinhaltige Katalysatoren nötig. Das Problem dabei: Die Katalysatoren sind kostenintensiv und die entsprechenden Ressourcen begrenzt. Hinzu kommt, dass sich bei konventionellen Herstellungsverfahren nicht das gesamte Katalysatormaterial im Dreiphasenraum aus ionischer, elektrischer und Gasphase befindet und somit an der Brennstoffzellenreaktion nicht teilnehmen kann. Eine Möglichkeit, die Menge an Katalysatorpartikeln an dieser Grenzfläche zu erhöhen, bietet die elektrochemische Abscheidung. Des Weiteren lässt sich die Morphologie, die Partikelgröße sowie die Zusammensetzung bei Legierungssystemen während der Abscheidung durch Variation der Elektrolyt- und Prozessparameter gezielt steuern. Durch eine Aktivierung einer kommerziell erhältlichen Gasdiffusionslage (GDL) im Sauerstoff/Argon Plasma war es im Rahmen dieser Arbeit möglich, Platin sowie Platin/Kobalt homogen und feinverteilt auf dieser abzuscheiden. Die besten im Rahmen der Arbeit galvanisch hergestellten Pt3Co-Kathoden mit einer Flächenbelegung von 0,3 mg/cm2 sowie einer optimierten Ionomerverteilung zeigen vor allem bei hohen Stromdichten nahezu vergleichbare Leistungen mit Standard ZBT Kathoden (Flächenbelegung 0,3 mg/cm2 Pt, 40gw%Pt/Vulcan XC72R, Johnson Matthey). Berücksichtigt man hierbei noch, dass sich die Platinflächenbelegung im Falle der galvanisch hergestellten Elektroden um den Faktor 3 bis 0,1 mg/cm2 ohne signifikante Leistungsverluste verringern lässt, wird das enorme Potential dieser Herstellmethode deutlich.

Based on the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode side of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) platinum based materials are still the most effective catalysts. However, the high cost and scarce resources of platinum require an increase in utilization. Furthermore, in common electrode preparation techniques a major part of the catalyst material is not immersed in the three phase reaction zone where ionic, electronic and gas pathways co-exist and are therefore inactive for the fuel cell reaction. Electrodeposition is a promising process for deposition of catalyst particles at the most effective contact zone. Furthermore, by variation of the electrolyte and process parameters it is possible to influence the morphology, the particle size and the stoichiometric relationship in alloy systems. By an activation treatment of a commercial available gasdiffusion layer in the oxygen/argon plasma prior to electrodeposition, a homogenous fine grained electrodeposition of platinum and platinum/cobalt was possible. The best electrodes of the present work with a Pt3Co catalyst loading of 0.3 mg/cm2, and an optimised ionomer distribution shows especially under high current densities, results comparable to a standard ZBT cathode (0.3 mg/cm2 Pt, 40gw%Pt/Vulcan XC72R, Johnson Matthey). If one considers at that point, that the prepared galvanically coated cathodes with 0.1 mg/cm2 catalyst loading show similar results as the 0.3 mg/cm2, one can obviously see the great potential of this electrode manufacturing method.