DE102021208370A1

DE102021208370A1 - Katalysatorkomplex für brennstoffzellen und verfahren zum herstellen desselben

Info

Publication number: DE102021208370A1
Application number: DE102021208370.6A
Authority: DE
Inventors: Dae Yong Son; Jung Han Yu; Byoung Su Kim; Hyun Joo Lee; Hee Eun Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Kia Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Kia Corp
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-06-09
Also published as: US20220181642A1; CN114597425A; KR20220078747A

Abstract

Offenbart werden ein Katalysatorkomplex, der Zellspannungsumkehr in einer Brennstoffzelle unterdrücken kann, und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Der Katalysatorkomplex schließt einen Träger, ein erstes katalytisch aktives Material, das auf dem Träger geträgert ist und eine Platinkomponente umfasst, die eines oder mehrere enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung, und ein zweites katalytisch aktives Material, dass auf dem Träger geträgert ist und eines oder mehrere umfasst, ausgewählt aus einem Edelmetall außer Platin und einem Oxid davon, ein, und der Träger enthält funktionelle Gruppen, die Sauerstoff enthalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysatorkomplex, der ein Auftreten von Problemen aufgrund einer Zellspannungsumkehr unterdrücken kann, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen für Fahrzeuge müssen unter verschiedenen Fahrbedingungen eine hohe Ausgangsleistung von mehreren zehn Kilowatt oder mehr aufweisen und müssen daher in einem breiten Stromdichtebereich betrieben werden.
Eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist an der innersten Position der Konfiguration der Einheitszelle eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Die MEA enthält eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, um Protonen zwischen den zwei Elektroden zu transportieren.
Gasdiffusionsschichten (GDLs) und Dichtungen sind auf den Außenflächen der Kathode und der Anode gestapelt. Separatoren (oder Bipolarplatten) sind außerhalb der GDLs bereitgestellt, die so konfiguriert sind, um Strömungsfelder bereitzustellen, in denen Reaktionsgase, Kühlwasser und Wasser, das durch Reaktion erzeugt wird, fließen.
Elektrochemische Reaktionen in der Brennstoffzelle sind wie folgt. Wasserstoff, der der Anode, die eine oxidierende Elektrode ist, der Brennstoffzelle zugeführt wird, wird in Protonen und Elektronen zerlegt. Die Protonen und die Elektronen werden durch die Elektrolytmembran beziehungsweise einen externen Kreislauf zur Kathode, die eine reduzierende Elektrode ist, bewegt. In der Kathode reagieren die Protonen und die Elektronen mit Sauerstoffmolekülen, wodurch Strom und Wärme erzeugt werden und gleichzeitig Wasser als Nebenprodukt entsteht.
Wenn eine angemessene Wassermenge in der Brennstoffzelle vorhanden ist, dient Wasser zum Aufrechterhalten einer angemessenen Befeuchtung der MEA, aber wenn eine übermäßige Menge Wasser in der Brennstoffzelle vorhanden ist, erfolgt ein Fluten bei einer hohen Stromdichte. Das Flutwasser stört eine Zufuhr von Reaktionsgasen in das Innere der Brennstoffzelle.
Wenn die Menge an Wasserstoff, der als Brennstoff dient, in der Anode aufgrund von Überflutungswasser in der Brennstoffzelle unzureichend ist, erfolgt Eisbildung im Winter, Anomalie einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung, etc., Zellspannungsumkehr. Diese Zellspannungsumkehr hat einen fatalen Effekt auf die Leistung der Brennstoffzelle und reduziert somit eine Zellspannung stark.
Speziell wenn die Menge an Wasserstoffgas in der Anode unzureichend ist, wird eine Anodenspannung V_Anode erhöht. Wenn die Anodenspannung V_Anode kontinuierlich erhöht wird, wird die Anodenspannung V_Anode größer als die Kathodenspannung V_Kathode, und somit erreicht die Brennstoffzelle einen Zustand der Zellspannungsumkehr, in dem Zellspannung V_Zelle kleiner als 0 ist (V_Zelle = V_Kathode - V_Anode < 0).
Im Zustand der Zellspannungsumkehr erfolgt Wasserelektrolyse, die unten beschrieben wird. H₂O → 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^-, E⁰ = 1,229 V (vs. SHE)
Hier ist E⁰ ein Standard-Elektrodenpotential und SHE ist eine Standard-Wasserstoffelektrode.
Wenn jedoch die Anodenspannung V_Anode danach kontinuierlich erhöht wird, wird Kohlenstoffkorrosion, welche unten beschrieben wird, an der Anode beschleunigt. C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e^-, E⁰ = 0,207 V (vs. SHE) C + H₂O → CO + 2H⁺ + 2e-, E⁰ = 0,518 V (vs. SHE)
Ferner, wenn der Zustand der Zellspannungsumkehr anhält und somit die Zellenspannung weniger als etwa -2 V wird, gibt die Brennstoffzelle übermäßig Wärme ab und somit können die MEA und die GDLs beschädigt werden. Ferner können schwerwiegende Probleme verursacht werden, wie Bildung von Stiftlöchern in der MEA und elektrische Kurzschlüsse in den Einheitszellen der Brennstoffzelle.
Um herkömmlich eine Fortsetzung des Zustandes der Zellspannungsumkehr zu verhindern, wurde ein System zum Überwachen des Zustandes der Wasserstoffversorgung durch Verwenden eines Sensors oder Ähnlichem vorgeschlagen, aber diese Methode könnte die oben genannten Probleme nicht grundlegend lösen.
Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden und der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem bevorzugten Aspekt werden ein Katalysator, der bei Zellspannungsumkehr in einer Brennstoffzelle Wasserelektrolyse anstatt Kohlenstoffkorrosion induzieren kann, und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitgestellt. In einem bevorzugten Aspekt werden ein Katalysator, bei dem hohe Gehalte an katalytisch aktiven Materialien gleichmäßig auf einem Träger geträgert sind, und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitgestellt.
Ferner werden ein Katalysator, der hervorragende Haltbarkeit hat, der eine Bindungskraft zwischen einem Träger und katalytisch aktiven Materialien erhöht, um Aktivität sogar unter schwierigen Bedingungen, wie einer Zellspannungsumkehr, aufrechtzuerhalten, und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitgestellt.
In einem Aspekt wird ein Katalysator für Brennstoffzellen bereitgestellt, enthaltend einen Träger, ein erstes katalytisch aktives Material, das auf dem Träger geträgert ist und eine Platinkomponente enthält, die eines oder mehrere umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung, und ein zweites katalytisch aktives Material, das auf dem Träger geträgert ist und eines oder mehrere enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Edelmetall außer Platin und einem Oxid davon. Insbesondere kann der Träger funktionelle Gruppen enthalten, die Sauerstoff enthalten.
Der Träger kann ein Kohlenstoffmaterial enthalten, einschließlich eines oder mehrere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Ketjenschwarz, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanofasern, Graphit, Graphen und Graphenoxid und die funktionellen Gruppen, die an die Kohlenstoffatome des Kohlenstoffmaterials gebunden oder angebracht sind.
Die funktionellen Gruppen können eine oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe.
Der Träger kann so konfiguriert sein, dass eine Summe von Flächen von Peaks des Trägers, die die C-O-Bindungsenergie indizieren, gleich oder größer als etwa 35% einer Gesamtfläche von Peaks des Trägers in C1s-Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist.
Der Träger kann so konfiguriert sein, dass ein Verhältnis (D/G) einer Intensität eines D-Peaks zu einer G-Peak-Intensität eines Raman-Spektrums des Trägers gleich oder größer als etwa 1,1 ist.
Das zweite katalytisch aktive Material kann mit Sauerstoff verbunden sein, der in den funktionellen Gruppen enthalten ist.
Die Platinlegierung kann eine Legierung aus Platin und einem oder mehreren Übergangsmetallen sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel (Ni), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Chrom (Cr), Mangan (Mn) und Zinn (Sn).
Das zweite katalytisch aktive Material kann eines oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Iridiumoxid (IrOx), Rutheniumoxid (RuOx), Titanoxid (TiOx), Manganoxid (MnOx), Iridium-Rutheniumoxid (Ir-RuOx), Platin-Iridium (Pt-Ir), Platin-Iridiumoxid (Pt-IrOx), Iridium-Palladium (Ir-Pd), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Cobalt (Co) und Molybdän (Mo), Aluminium (Al).
Das erste katalytisch aktive Material kann Platin enthalten, das zweite katalytisch aktive Material kann Iridiumoxid (IrO_x) enthalten, und ein Gewichtsverhältnis von Platin zu Iridium kann etwa 1:0,5-1 betragen.
In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Brennstoffzellen bereitgestellt. Das Verfahren kann Herstellen einer Lösung, die ein Edelmetall außer Platin enthält, Einbringen eines Trägers, auf dem eine Platinkomponente, die eines oder mehrere enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung geträgert ist, in die Lösung, Laden des Edelmetalls außer Platin auf den Träger und Oxidieren des auf den Träger geladenen Edelmetalls außer Platin enthalten. Insbesondere kann der Träger funktionelle Gruppen enthalten, die Sauerstoff enthalten.
In der Lösung kann das Edelmetall außer Platin in einer Form von Nanopartikeln vorhanden sein.
Der Träger kann ein Kohlenstoffmaterial enthalten, umfassend eines oder mehrere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Ketjenschwarz, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Graphen und Graphenoxid; und die funktionellen Gruppen, die an Kohlenstoffatome des Kohlenstoffmaterials gebunden sind.
Die funktionellen Gruppen können eine oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe.
Der Träger ist so konfiguriert, dass ein Verhältnis (D/G) einer Intensität eines D-Peaks zu einer G-Peak-Intensität eines Raman-Spektrums des Trägers gleich oder größer als etwa 1,1 ist.
Das Verfahren kann ferner ein Einstellen eines pH-Werts eines Produkts einschließen, das durch Einbringen des Trägers, auf dem die Platinkomponente geträgert ist, in die Lösung erhalten wird, auf 0,5 bis 3, so dass das Edelmetall außer Platin auf den Träger geladen wird, auf etwa 0,5 bis 3, so dass das Edelmetall außer Platin auf den Träger geladen wird.
Das Edelmetall außer Platin, das auf dem Träger geträgert ist, kann durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250 °C bis 350 °C für etwa 1 Stunde bis 5 Stunden oxidiert werden.
In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Brennstoffzellen bereitgestellt. Das Verfahren kann Herstellen einer Lösung, die ein Edelmetall außer Platin enthält, Einbringen eines Trägers in die Lösung, Trägern des Edelmetalls außer Platin auf den Träger, Herstellen eines ersten Katalysators durch Oxidieren des auf dem Träger geträgerten Edelmetalls außer Platin und Mischen eines zweiten Katalysators, der mindestens eines von Platin oder einer Platinlegierung enthält, mit dem ersten Katalysator, einschließen. Der Träger kann funktionelle Gruppen enthalten, die Sauerstoff enthalten.
Die funktionellen Gruppen können eine oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe.
Der Träger kann so konfiguriert sein, dass ein Verhältnis (D/G) einer Intensität eines D-Peaks zur einer G-Peak-Intensität eines Raman-Spektrums des Trägers gleich oder größer als etwa 1,1 ist.
Das auf den Träger geladene Edelmetall außer Platin kann durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250 °C bis 350 °C für etwa 1 Stunde bis 5 Stunden oxidiert werden.
Andere Aspekte der Erfindung werden infra offenbart.
Figurenliste
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, die nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind, und somit nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung sind, und wobei:

1 einen beispielhaften Katalysator für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A einen beispielhaften Träger zeigt, auf dem ein erstes katalytisch aktives Material geträgert ist;
2B einen beispielhaften Träger zeigt, auf dem ein erstes katalytisch aktives Material und ein zweites katalytisch aktives Material geträgert sind;
3 ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Grafik ist, die Ergebnisse der C1s-Röntgenphotoelektronenspektroskopie-(XPS)-Analyse von Trägern gemäß Beispiel und Vergleichsbeispiel 2 zeigt;
5 eine Grafik ist, die Ergebnisse der Raman-Analyse von Katalysatoren gemäß Beispiel, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 zeigt; und
6 eine Grafik ist, die Retentionszeiten für die Zellspannungsumkehr von Brennstoffzellen, die die Katalysatoren gemäß Beispiel, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 enthalten, zeigt.

Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale darstellen, die die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich zum Beispiel spezifischer Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die jeweilige beabsichtigte Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszahlen auf die gleichen oder gleichwertige Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die oben beschriebenen Ziele, andere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den Beschreibungen von Ausführungsformen, die nachstehend mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben werden, offensichtlich. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen anderen Formen umgesetzt werden. Die Ausführungsformen werden bereitgestellt, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung gründlich zu machen und den Umfang der vorliegenden Erfindung für den Fachmann vollständig zu vermitteln.
In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen werden dieselben Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, selbst wenn sie in verschiedenen Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen können die Abmessungen von Strukturen verglichen zu den eigentlichen Abmessungen übertrieben sein, zur Verdeutlichung der Beschreibung. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen können Begriffe wie „erste“ und „zweite“ verwendet werden, um verschiedene Elemente zu beschreiben, aber die Elemente nicht einzuschränken. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von anderen Elementen zu unterscheiden. Beispielsweise kann ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, und ebenso kann ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Ausdrücke im Singular können Ausdrücke im Plural umschließen, es sei denn, sie haben eindeutig unterschiedliche kontextuelle Bedeutungen.
In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen sind Begriffe wie „einschließlich“ und „aufweisend“ so zu interpretieren, dass sie das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente oder Teile oder Kombinationen davon in der Beschreibung angeben und das Vorhandensein eines oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Teile oder Kombinationen davon oder eine Möglichkeit zum Hinzufügen desselben, nicht ausschließen. Zusätzlich wird es so verstanden werden, dass wenn ein Teil, wie zum Beispiel eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder eine Platte, als „auf“ einem anderen Teil bezeichnet wird, kann das Teil „direkt auf“ dem anderen Teil angeordnet sein oder andere Teile können zwischen den zwei Teilen zwischengeschaltet sein. In gleicher Weise, wird es so verstanden werden, dass wenn ein Teil, wie zum Beispiel eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder eine Platte, als „unter“ einem anderen Teil bezeichnet wird, kann das Teil „direkt unter“ dem anderen Teil angeordnet sein oder andere Teile können zwischen den zwei Teilen zwischengeschaltet sein.
Alle Zahlen, Werte und/oder Ausdrücke, die Mengen von Komponenten, Reaktionsbedingungen, Polymerzusammensetzungen und Mischungen repräsentieren, die in der Beschreibung verwendet werden, sind Näherungen, in denen sich verschiedene Messunsicherheiten widerspiegeln, die entstehen, wenn diese Werte von wesentlich unterschiedlichen Dingen erworben werden, und daher wird es zu verstehen sein, dass sie durch den Begriff „etwa“ modifiziert sind, sofern nicht anders angegeben. Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „etwa“ hierin als innerhalb eines normalen Toleranzbereichs in der Technik, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert, verstanden. „Etwa“ kann als innerhalb von 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 % oder 0,01 % des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern nicht anders aus dem Kontext ersichtlich, werden alle hierin bereitgestellten Zahlenwerte durch den Begriff „etwa“ modifiziert.
Zusätzlich wird es so verstanden werden, dass falls in der Beschreibung ein Zahlenbereich angegeben wird, enthält so ein Bereich alle kontinuierlichen Werte von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert des Bereichs, sofern nichts anderes angegeben. Ferner, bezieht sich so ein Bereich auf ganze Zahlen, enthält der Bereich alle ganzen Zahlen von einer minimalen ganzen Zahl bis zu einer maximalen ganzen Zahl, sofern nichts Anderes angegeben. Beispielsweise wird der Bereich „5 bis 10“ so verstanden werden, dass alle Unterbereiche, wie 6 bis 10, 7 bis 10, 6 bis 9, 7 bis 9 und dergleichen, sowie einzelne Werte von 5, 6, 7, 8, 9 und 10 enthalten sind und wird auch so verstanden werden, dass jeder Wert zwischen gültigen ganzen Zahlen innerhalb des angegebenen Bereichs, wie 5,5, 6,5, 7,5, 5,5 bis 8,5, 6,5 bis 9 und dergleichen enthalten sind. Beispielsweise wird auch der Bereich „10 % bis 30 %“ so verstanden, dass Unterbereiche wie 10 % bis 15 %, 12 % bis 18 %, 20 % bis 30 % etc. sowie alle ganzen Zahlen einschließlich Werten von 10 %, 11 %, 12%, 13 % und dergleichen zu 30 % enthalten sind und wird auch so verstanden werden, dass jeder Wert zwischen gültigen ganzen Zahlen innerhalb des angegebenen Bereichs, wie 10,5 %, 15,5 %, 25,5 % und dergleichen enthalten sind.
1 zeigt einen beispielhaften Katalysator für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise enthält der Katalysator einen Träger 10, ein erstes katalytisch aktives Material 20, dass auf dem Träger 10 geträgert und so konfiguriert ist, um die Oxidationsreaktion von Wasserstoff und/oder die Reduktionsreaktion von Sauerstoff zu aktivieren, und ein zweites katalytisch aktives Material 30, dass auf dem Träger 10 geträgert und so konfiguriert ist, um die Wasserelektrolyse zu aktivieren, wenn eine Zellspannungsumkehr auftritt.
Herkömmlich wurde RuO₂, IrO₂, TiO₂ oder dergleichen zu einer Brennstoffzelle hinzugefügt, sodass, wenn eine Zellspannungsumkehr in der Brennstoffzelle auftritt, überwiegend Wasserelektrolyse anstatt Korrosion von Kohlenstoff abläuft. Da RuO₂, IrO₂, TiO₂ oder dergleichen jedoch einfach der Brennstoffzelle zugesetzt wurde, können Partikel davon agglomeriert sein und somit eine verringerte spezifische Oberfläche haben, oder können ausgelaufen sein und somit schwierig sein, ein gewünschtes Niveau an Wasserelektrolyse zu indizieren.
Der Katalysator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, sodass beide, das erste katalytisch aktive Material 20 und das zweite katalytisch aktive Material 30 geträgert auf dem Träger 10 sind, um die oben beschriebenen Probleme des herkömmlichen Katalysators zu überwinden.
Ferner ist der Katalysator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass funktionelle Gruppen bestehend aus Sauerstoff auf den Träger 10 aufgebracht wird und somit eine Bindungskraft zwischen dem Träger 10 und dem zweiten katalytisch aktiven Material 30 erhöht, um Wasserelektrolyse zu aktivieren, ohne das zweite katalytisch aktive Material 30 selbst unter harten Bedingungen, wie einer Zellspannungsumkehr, freizusetzen.
2A zeigt einen beispielhaften Träger 10, auf dem das erste katalytisch aktive Material 20 geträgert ist. 2B zeigt einen beispielhaften Träger 10, auf dem das erste katalytisch aktive Material 20 und das zweite katalytisch aktive Material 30 geträgert sind.
Wie in 2A gezeigt, kann der Träger 10 ein Kohlenstoffmaterial 11 enthalten, das so konfiguriert ist, um Flächen bereitzustellen, auf dem das erste katalytisch aktive Material 20 geträgert wird, und funktionelle Gruppen 12, die an Kohlenstoffatome 11a des Kohlenstoffmaterials 11 gebunden sind.
Der Träger 10 kann jedoch ein Nicht-Kohlenstoff-Material sein. Beispielsweise kann der Träger 10 ein Nicht-Kohlenstoff-Material sein, wie ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid oder dergleichen.
Das Kohlenstoffmaterial 11 kann eines oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Ketjenschwarz, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Graphen und Graphenoxid enthalten.
Das Kohlenstoffmaterial 11 kann ein partikelförmiges Kohlenstoffmaterial, mesoporöses Kohlenstoffmaterial, ein hierarchisches Kohlenstoffmaterial oder dergleichen sein.
Die funktionellen Gruppen 12, die Sauerstoff enthalten, können eine oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe.
Wie in 2B gezeigt, kann das zweite katalytisch aktive Material 30 auf dem Träger 10 in dem Zustand geträgert sein, in dem das zweite katalytisch aktive Material 30 an Sauerstoffatome, die in den funktionellen Gruppen 12 enthaltenen sind, gebunden ist. Da das zweite katalytisch aktive Material 30 auf dem Träger 12 durch chemische Bindung mit den Funktionsgruppen 12 geträgert ist, wird das zweite katalytisch aktive Material 30 selbst unter schweren Bedingungen, wie einer Zellspannungsumkehr, nicht freigesetzt und kann Wasserelektrolyse aktivieren.
Das erste katalytisch aktive Material 20 kann eines oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung.
Die Platinlegierung ist nicht auf eine bestimmte Legierung beschränkt und kann beispielsweise eine Legierung aus Platin und einem oder mehreren Übergangsmetallen enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel (Ni), Eisen (Fe), Kobalt (Cr), Chrom (Cr), Mangan (Mn) und Zinn (Sn).
Das zweite katalytisch aktive Material 30 kann eines oder mehrere Edelmetalle außer Platin oder ein Oxid davon enthalten. Das zweite katalytisch aktive Material 30 kann eines oder mehrere enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Iridiumoxid (IrO_x, x ist 1 oder 2), Rutheniumoxid (RuO_x, x ist 1 oder 2), Titanoxid (TiO_x, x ist 1 oder 2), Manganoxid (MnOx), Iridium-Rutheniumoxid (Ir-RuOx), Platin-Iridium (Pt-Ir), Platin-Iridiumoxid (Pt-IrOx), Iridium-Palladium (Ir-Pd), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Cobalt (Co), Molybdän (Mo) und Aluminium (Al).
Insbesondere kann das erste katalytisch aktive Material 20 Platin (Pt) enthalten und das zweite katalytisch aktive Material 30 kann Iridiumoxid (IrO_x) enthalten. Das Gewichtsverhältnis von Platin (Pt) zu Iridium (Ir) kann etwa 1:0,5-1 sein. Wenn das Gewichtsverhältnis von Iridium (Ir) weniger als etwa 0,5 ist, kann der Gehalt an Iridium (Ir) übermäßig niedrig sein und somit können gewünschte Effekte nicht erzielt werden, wenn das Gewichtsverhältnis von Iridium (Ir) größer als etwa 1 ist, kann der Gehalt an Iridium (Ir) übermäßig hoch sein und somit kann Wasserelektrolyse übermäßig aktiviert werden, selbst wenn keine Zellspannungsumkehr auftritt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren schließt Herstellen einer Lösung, die ein Edelmetall außer Platin (S1) enthält, Einbringen eines Trägers, auf dem mindestens eines von Platin oder einer Platinlegierung geträgert ist, in die Lösung (S2), Laden des Edelmetalls außer Platin auf den Träger (S3) und Oxidieren des Edelmetalls außer Platin (S4), das auf dem Träger geladen ist, ein.
In der Lösung kann das Edelmetall außer Platin in der Form von Nanopartikeln vorliegen. Der Begriff „Nanopartikel“ bezeichnet hier Partikel mit einem Durchmesser von Nanometern (nm).
Die Lösung kann hergestellt werden, indem ein Edelmetallpräkursor in ein Lösungsmittel gegeben wird. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der Lösung im Detail beschrieben.
Das Lösungsmittel ist nicht auf ein bestimmtes Lösungsmittel beschränkt und kann beispielsweise Ethylenglykol (EG) sein.
Nachdem das Lösungsmittel durch Zugeben von Natriumhydroxid (NaOH) alkalisiert wurde, kann der Edelmetallpräkursor in das Lösungsmittel gegeben werden. Der Edelmetallpräkursor ist nicht auf ein spezifisches Material beschränkt und kann beispielsweise das Hydrat des Edelmetalls sein. Hier kann Natriumacetat (CH₃COONa) zusammen mit dem Präkursor in das Lösungsmittel gegeben werden.
Nachdem der Edelmetallpräkursor in das Lösungsmittel gegeben wurde, kann das Edelmetall außer Platin in der Form von Nanopartikeln durch Erwärmen der Lösung in der Inertgasatmosphäre, wie zum Beispiel Stickstoff, und anschließendes Kühlen der Lösung, erhalten werden. Die Bedingungen des Erwärmens der Lösung sind nicht auf spezifische Bedingungen beschränkt und beispielsweise kann die Lösung bei einer Temperatur von etwa 100 °C bis 200 °C für etwa 1 Stunde bis 5 Stunden erwärmt werden.
Danach kann ein Träger, auf dem ein erstes katalytisch aktives Material geträgert ist, in die Lösung gegeben werden, und dann kann das Edelmetall in der Form von Nanopartikeln auf den Träger 10 geladen werden, durch Einstellen eines pH-Werts eines erhaltenen Produkts auf etwa 0,5-3. So kann das Verfahren ferner ein Einstellen eines pH-Werts eines Produkts, das durch Einbringen des Trägers, auf dem die Platinkomponente geträgert ist, in die Lösung erhalten wird, auf etwa 0,5 bis 3 einschließen.
Die Einstellung des pH-Werts des Produkts ist nicht auf ein spezifisches Verfahren beschränkt und beispielweise kann zu dem Produkt mindestens eines einer Salzsäurelösung (HCl) oder einer Essigsäurelösung (CH₃COOH) gegeben werden.
Der Träger, auf dem das erste katalytisch aktive Material und das Edelmetall geträgert sind, kann in der Form von Pulver durch Filtern und Trocknen hergestellt werden.
Danach kann das Edelmetall, das auf den Träger geladen ist, durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250 °C bis 350 °C für etwa 1 Stunde bis 5 Stunden oxidiert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysators für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Herstellen einer Lösung, die ein Edelmetall außer Platin enthält, Einbringen eines Trägers in die Lösung, Trägern des Edelmetalls außer Platin auf den Träger, Herstellen eines ersten Katalysators durch Oxidieren des Edelmetalls außer Platin, das auf dem Träger geträgert ist, und Mischen eines zweiten Katalysators, der eine Platinkomponente enthält, die eine oder mehrere enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung, mit dem ersten Katalysator einschließen, und der Träger kann funktionelle Gruppen enthalten, die Sauerstoff enthalten.
Das Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator hergestellt werden kann durch alleiniges Trägern des Edelmetalls außer Platin auf den Träger, der die funktionellen Gruppen enthält, die Sauerstoff enthalten, und dann der zweite Katalysator, der Platin enthält, mit dem ersten Katalysator gemischt werden kann.
Beispielsweise kann eine große Menge des Edelmetalls außer Platin auf den Träger, der funktionelle Gruppen enthält, die Sauerstoff enthalten, geträgert werden, und dann kann der zweite Katalysator, der Platin oder die Platinlegierung enthält, mit dem ersten Katalysator gemischt werden, wodurch das Verhältnis des Edelmetalls außer Platin zu Platin oder der Platinlegierung variabler eingestellt werden kann.
Der zweite Katalysator kann Platin oder die Platinlegierung selbst oder ein Träger sein, auf dem das Platin oder die Platinlegierung geträgert ist. Der Träger des zweiten Katalysators kann ein kohlenstoffbasierter Katalysator oder ein nicht-kohlenstoffbasierter Katalysator sein und der gleiche wie oder verschieden als der Träger des ersten Katalysators sein.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Versuchsbeispielen näher beschrieben. Die folgenden Beispiele und Versuchsbeispiele dienen lediglich dazu, die vorliegende Erfindung beispielhaft zu beschreiben und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
BEISPIEL
Der pH-Wert von Ethylenglykol (EG), das als Lösungsmittel dient, wurde durch Zugabe von Natriumhydroxid (NaOH) auf 12 eingestellt. Anschließend wurde eine Lösung hergestellt, indem Iridium(III)-chloridhydrat (IrCl₃-xH₂O), das als Edelmetallpräkursor dient, in das Lösungsmittel gegeben wurde. Hierbei wurde Natriumacetat zugegeben. Die Lösung wurde bei einer Temperatur von 160 °C für etwa 3 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt und wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
Eine Essigsäurelösung, die einen Kohlenstoffträger, auf dem Platin geträgert wurde (im Folgenden als Pt/C bezeichnet), enthält, wurde in die Lösung gegeben. Der oben beschriebene Kohlenstoffträger, der funktionelle Gruppen enthält, die Sauerstoff enthalten, wurde verwendet. Hierbei wurde der pH-Wert der Lösung durch Zugeben einer Salzsäurelösung (HCl) auf etwa 0,5 eingestellt.
Ein erhaltenes Produkt wurde für 10 Stunden oder länger bei Raumtemperatur agitiert, gefiltert und anschließend in einem Ofen, der auf etwa 50 °C erwärmt wurde, etwa 2 Stunden getrocknet, wodurch ein Pulver hergestellt wurde.
Das Pulver wurde bei einer Temperatur von 300 °C etwa 2 Stunden in einem Ofen in einer Luftatmosphäre wärmebehandelt, wodurch schließlich der Träger hergestellt wurde, auf dem Platin und Iridiumoxid geträgert wurden.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Ein Katalysator wurde nach demselben Verfahren wie im obigen Beispiel hergestellt, außer dass ein Kohlenstoffträger, der einen kleineren Anteil an funktionellen Gruppen enthält, die Sauerstoff enthalten, als der Katalysator gemäß dem Beispiel, als ein Kohlenstoffträger verwendet wurde, auf den Platin geträgert wurde, eine Salzsäure (HCl)-Lösung, die den Kohlenstoffträger enthält und keine Essigsäurelösung ist, in eine hergestellte Lösung gegeben wurde und die Temperatur des Ofens auf eine Temperatur von etwa 200 °C gesenkt wurde.
VERGLEICHSBEISPIEL 2
Ein Katalysator wurde nach demselben Verfahren wie im obigen Beispiel hergestellt, außer dass ein Kohlenstoffträger, der einen kleineren Anteil an funktionellen Gruppen enthält, die Sauerstoff enthalten als der Katalysator gemäß dem Beispiel, als ein Kohlenstoffträger verwendet wurde, auf dem Platin geträgert wurde, und eine Salzsäure (HCl)-Lösung, die den Kohlenstoffträger enthält und keine Essigsäurelösung ist, in eine hergestellte Lösung gegeben wurde.
VERSUCHSBEISPIEL 1
C1s-Röntgenphotoelektronenspektroskopie-(XPS)-Analyse der Träger, die in dem Beispiel, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Ergebnisse davon sind in 4 dargestellt. Wie in 4 gezeigt, nahmen die Flächen von Peaks, die die C-O-Bindungsenergie indizieren, das heißt O-C=O- und C-O-C-Gruppen, etwa 38% der Gesamtfläche der Peaks des Trägers in dem Träger gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung ein. Auf der anderen Seite war die Fläche eines Peaks, die die C-O-Bindungsenergie indiziert, das heißt eine C-O-C-Gruppe, in dem Träger gemäß Vergleichsbeispiel 2 sehr klein und nimmt daher nur etwa 29 % der Gesamtfläche der Peaks des Trägers ein.
VERSUCHSBEISPIEL 2
Eine Raman-Analyse des Katalysators gemäß dem Beispiel, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 wurde durchgeführt. Die Ergebnisse davon sind in 5 dargestellt. Wie in 5 gezeigt, waren die Intensitäten der D- und G-Banden der Raman-Spektren der Katalysatoren gemäß Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 gleich, aber das Verhältnis (D/G) der Intensität der D-Bande zur Intensität der G-Bande des Raman-Spektrums des Katalysators gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung war gleich oder größer als 1.
Der D-Peak meint hier einen Peak, der im Wellenlängenbereich von 1300-1400 cm^-1 beobachtet wird und im allgemein die maximale Absorptionswellenlänge von 1360 cm^-1 hat. Der G-Peak meint hier einen Peak, der im Wellenlängenbereich von 1500-1600 cm^-1 beobachtet wird und allgemein die maximale Absorptionswellenlänge von 1580 cm^-1 hat. Im Raman-Spektrum ist der D-Peak von einer Nicht-Graphit-Struktur und der G-Peak von einer Graphit-Struktur abgeleitet. Deshalb, wenn das Verhältnis (D/G) der Intensität des D-Peaks zur Intensität des G-Peaks stieg, tendierte die Kristallstruktur des Kohlenstoffmaterials ungeordnet zu sein.
Das heißt, da in dem Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung die funktionellen Gruppen, die Sauerstoff enthalten, an den Träger gebunden sind, die Kristallstruktur des Kohlenstoffs ein wenig kollabiert und somit eine höhere Intensität des G-Peaks beobachtet wird.
VERSUCHSBEISPIEL 3

Die Brunauer-Emmett-Teller spezifischen Oberflächen der Träger und Katalysatoren gemäß dem obigen Beispiel und dem Vergleichsbeispiel 2 wurden gemessen. Die Ergebnisse davon sind in der nachstehenden Tabelle 1 dargelegt. Tabelle 1

Klassifizierung	BET spezifische Oberfläche [m²/g]	Gesamtes Porenvolumen [cm³/g]	Durchschnittlicher Porendurchmesser [nm]
Beispiel-Träger	798,7	1,47	5,7
Vergleichsbeispiel 2 - Träger	226,9	0,48	7,0
Beispiel-Katalysator	419,9	0,72	6,0
Vergleichsbeispiel 2-Katalysator	127,8	0,27	7,5

Wie in Tabelle 1 gezeigt, war die spezifische Oberfläche des Trägers gemäß dem Beispiel etwa dreimal die spezifische Oberfläche des Trägers gemäß Vergleichsbeispiel 2.
VERSUCHSBEISPIEL 4
Herstellung von Brennstoffzellen
Um Haltbarkeit der Katalysatoren gemäß dem Beispiel und Vergleichsbeispielen in Bezug auf Zellspannungsumkehr zu überprüfen, wurden Brennstoffzellen unter Verwendung der Katalysatoren gemäß dem Beispiel und Vergleichsbeispielen hergestellt und ein Haltbarkeitstest in Bezug auf Zellspannungsumkehr durchgeführt.

(1) Katalysatoraufschlämmungen wurden unter Verwenden der Katalysatoren gemäß dem Beispiel und Vergleichsbeispielen hergestellt, und Anoden wurden durch Aufsprühen der Katalysatoraufschlämmungen auf eine Gasdiffusionsschicht (GDL: 39BC, hergestellt von SGL carbon in Deutschland) gebildet. Das Gewichtsverhältnis einer perfluorierten Sulfonsäure-Ionomer-Dispersion (5 Gew.-% Nafion Dispersion, hergestellt von DuPont Co. in USA) zu Kohlenstoff war 0,8, und die Beladungsmengen von jeweiligen Materialien waren wie folgt.
- - Vergleichsbeispiele 1 und 2
- - Beispiel: 0,1 mg_Pt/cm² + 0,05 mg_Ir/cm²
(2) Eine Katalysatoraufschlämmung wurde unter Verwendung eines Pt/C-Katalysators hergestellt, und eine Kathode wurde durch Aufsprühen der Katalysatoraufschlämmung auf eine Gasdiffusionsschicht (GDL: 39BC, hergestellt von SGL carbon in Deutschland) gebildet. Das Gewichtsverhältnis einer perfluorierten Sulfonsäure-Ionomer-Dispersion (5 Gew.-% Nafion Dispersion, hergestellt von DuPont Co. in den USA) zu Kohlenstoff war 0,8, und die Beladungsmenge an Pt war 0,4 mg_Pt/cm².
(3) Die jeweiligen Anoden und die Kathode wurden auf einer Elektrolytmembran (NRE211, hergestellt von DuPont Co. in den USA) angeordnet, und ein Druck von 430 psi wurde bei einer Temperatur von 135 °C für 135 Sekunden angelegt, wodurch jeweilige Membran-Elektroden-Anordnungen (MEAs) gebildet wurden.
(4) Jeweilige Brennstoffzellen wurden hergestellt, durch sequentielles Stapeln eines Anodenseparators, gebildet aus Titan (Ti), der jeweiligen MEAs und eines Kathodenseparators, gebildet aus Graphit.

Hier war das Drehmoment, das auf acht Schrauben zur Befestigung der Zellen angewendet wurde, 50 kgf·cm.
Brennstoffzellenaktivierung
Wasserstoff und Luft wurden den Anoden und Kathoden der jeweiligen Brennstoffzellen mit einer Rate von 200 ml/min beziehungsweise einer Rate von 600 ml/min zugeführt, die Stromdichte wurde um 100 mA/cm² pro Sekunde unter eines Leerlaufspannungs-(OCV)-Zustands erhöht, bis die Zellspannung 0,25 V erreicht, und nachdem die Zellspannung 0,25 V erreicht, wurde solch eine Prozedur wiederholt, bis die OCVs und die Leistungen der jeweiligen Brennstoffzellen stabilisiert sind. Solch ein Verfahren wurde unter Bedingungen einer Zellentemperatur von 65 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % durchgeführt.
Dauerhaftigkeitsprüfung in Bezug auf die Zellspannungsumkehr - Messung der Zellenspannung nach der Zeit der Zellspannungsumkehr nach Unterbrechung der Wasserstoffzufuhr
Zellspannungen der jeweiligen Brennstoffzellen wurden durch das folgende Verfahren unter Bedingungen einer Zellentemperatur von 65 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % gemessen, um den Haltbarkeitstest in Bezug auf Zellspannungsumkehr durchzuführen.

(1) Den jeweiligen Brennstoffzellen wurde elektrische Strom mit einer Stromdichte von 0,2 A/cm² angelegt, und Wasserstoff und Luft wurden den Anoden und Kathoden der jeweiligen Brennstoffzellen in einem stöchiometrischen Verhältnis von 1,5:2,0 zugeführt.
(2) 5 Minuten nach der Anlegung des elektrischen Stroms wurde die Wasserstoffzufuhr zu den Anoden der jeweiligen Brennstoffzellen gestoppt und anschließend wurde Argon (Ar), das die gleiche Strömungsgeschwindigkeit wie Wasserstoff hat, zugeführt.
(3) Die Zeit und die Spannung, die benötigt werden, bis die Zellspannung -2,5 V wird, wurden gemessen.
(4) Die Zeit, die benötigt wird, die Zellspannung von 0 V auf -2,5 V umzuwandeln, wurde als Zellspannungsumkehr-Retentionszeit definiert.

Die Zellspannungsumkehr-Retentionszeiten der Brennstoffzellen, die die Katalysatoren gemäß dem Beispiel, dem Vergleichsbeispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 enthalten, sind in 6 dargestellt. Wie in 6 gezeigt, war die Zellspannungsumkehr-Retentionszeit der Brennstoffzelle, die den Katalysator gemäß dem Beispiel enthält, etwa 3,5 mal dessen der Brennstoffzelle, die den Katalysator gemäß Vergleichsbeispiel 1 enthält, und etwa 1,6 mal dessen der Brennstoffzelle, die den Katalysator gemäß Vergleichsbeispiel 2 enthält.
Dementsprechend kann eine Verwendung des Katalysators gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Probleme, die durch Zellspannungsumkehr in einer Brennstoffzelle auftreten, wirksamer unterdrücken.
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Katalysator Wasserelektrolyse anstatt Kohlenstoffkorrosion einschließen, wenn eine Zellspannungsumkehr in einer Brennstoffzelle auftritt, was die Probleme, die durch Zellspannungsumkehr verursacht werden, grundlegend lösen kann.
Ferner können in dem Katalysator gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hohe Gehalte an katalytisch aktiven Materialien gleichmäßig auf einem Träger geträgert sein.
Zusätzlich kann der Katalysator gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Bindungskraft zwischen dem Träger und den katalytisch aktiven Materialien erhöhen und somit ausgezeichnete Haltbarkeit aufweisen, so dass die Aktivität auch unter schweren Bedingungen, wie Zellspannungsumkehr, erhalten bleibt.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Katalysator für Brennstoffzellen umfassend: einen Träger; ein erstes katalytisch aktives Material, dass auf dem Träger geträgert ist und eine Platinkomponente umfasst, die eines oder mehrere umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung; und ein zweites katalytisch aktives Material, dass auf dem Träger geträgert ist und eines oder mehrere ausgewählt aus den Edelmetallen außer Platin und ein Oxid davon umfasst, wobei der Träger funktionelle Gruppen umfasst, die Sauerstoff enthalten.
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der Träger umfasst: ein Kohlenstoffmaterial, das eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Ketjenschwarz, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Graphen und Graphenoxid umfasst; und die funktionellen Gruppen an Kohlenstoffatome des Kohlenstoffmaterials gebunden sind.
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei die funktionellen Gruppen eine oder mehrere umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der Träger so konfiguriert ist, dass eine Summe von Flächen von Peaks des Trägers, die C-O-Bindungsenergie indizieren, gleich oder größer als etwa 35% einer Gesamtfläche von Peaks des Trägers in C1s-Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist.
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei der Träger so konfiguriert ist, dass ein Verhältnis (D/G) einer Intensität eines D-Peaks zu einer G-Peak-Intensität eines Raman-Spektrums des Trägers gleich oder größer als etwa 1,1 ist.
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei das zweite katalytisch aktive Material mit Sauerstoff verbunden ist, der in den funktionellen Gruppen enthalten ist.
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei die Platinlegierung eine Legierung von Platin ist und ein oder mehrere Übergangsmetalle umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel (Ni), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Chrom (Cr), Mangan (Mn) und Zinn (Sn).
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei das zweite katalytisch aktive Material eines oder mehrere umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Iridiumoxid (IrO_x), Rutheniumoxid (RuO_x), Titanoxid (TiO_x), Manganoxid (MnO_x), Iridium-Rutheniumoxid (Ir-RuO_x), Platin-Iridium (Pt-Ir), Platin-Iridiumoxid (Pt-IrO_x), Iridium-Palladium (Ir-Pd), Rhodium (Rh), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Molybdän (Mo) und Aluminium (Al).
Katalysator für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei: das erste katalytisch aktive Material Platin umfasst; das zweite katalytisch aktive Material Iridiumoxid (IrO_x) umfasst; und ein Gewichtsverhältnis von Platin zu Iridium etwa 1:0,5-1 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysators für Brennstoffzellen, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Lösung umfassend ein Edelmetall außer Platin; Einbringen eines Trägers, auf dem eine Platinkomponente umfassend eines oder mehrere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung, geträgert ist, in die Lösung; Laden des Edelmetalls außer Platin auf den Träger; und Oxidieren des Edelmetalls außer Platin geladen auf dem Träger, wobei der Träger funktionelle Gruppen umfasst, die Sauerstoff enthalten.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in der Lösung das Edelmetall außer Platin in einer Form von Nanopartikeln vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Träger umfasst: ein Kohlenstoffmaterial umfassend eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Ketjenschwarz, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern, Graphit, Graphen und Graphenoxid; und die funktionellen Gruppen, die an Kohlenstoffatome des Kohlenstoffmaterials gebunden sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die funktionellen Gruppen eine oder mehrere umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Träger so konfiguriert ist, dass ein Verhältnis (D/G) einer Intensität eines D-Peaks zu einer G-Peak-Intensität eines Raman-Spektrums des Trägers gleich oder größer als etwa 1,1 ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren ferner ein Einstellen eines pH-Werts eines Produkts umfasst, das durch Einbringen des Trägers, auf dem die Platinkomponente geträgert ist, in die Lösung erhalten wird, auf etwa 0,5 bis 3, so dass das Edelmetall außer Platin auf den Träger geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das auf den Träger geladene Edelmetall außer Platin durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250 °C bis 350 °C für etwa 1 Stunde bis 5 Stunden oxidiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Katalysators für Brennstoffzellen, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Lösung, die ein Edelmetall außer Platin umfasst; Einbringen eines Trägers in die Lösung; Laden des Edelmetalls außer Platin auf den Träger; Herstellen eines ersten Katalysators durch Oxidieren des auf den Träger geladenen Edelmetalls außer Platin; und Mischen eines zweiten Katalysators umfassend eine Platinkomponente umfassend eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin und einer Platinlegierung mit dem ersten Katalysator, wobei der Träger funktionelle Gruppen umfasst, die Sauerstoff enthalten.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die funktionellen Gruppen eine oder mehrere umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Carboxylgruppe, einer Epoxygruppe, einer Ketogruppe, einer Aldehydgruppe, einer Ethergruppe und einer Hydroxylgruppe.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Träger so konfiguriert ist, dass ein Verhältnis (D/G) einer Intensität eines D-Peaks zu einer G-Peak-Intensität eines Raman-Spektrums des Trägers gleich oder größer als etwa 1,1 ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das auf den Träger geladene Edelmetall außer Platin, durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250 °C bis 350 °C für etwa 1 Stunde bis 5 Stunden oxidiert wird.