DE10320320B4 - Katalysatorschicht, geeignete Katalysatorpaste, sowie Herstellungsverfahren derselben - Google Patents

Katalysatorschicht, geeignete Katalysatorpaste, sowie Herstellungsverfahren derselben Download PDF

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Abstract

Katalysatorpaste, umfassend geträgerte oder ungeträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens ein saures Ionenaustauscherpolymer, gekennzeichnet durch
– ein basisches Additiv, welches wenigstens ein Polymer oder Copolymer mit einem stickstoffhaltigen Ringsystem als basische Monomereinheit umfasst,
– wobei das basische Additiv mit einem Feststoffanteil von 0,1 bis 3 Gew.-% bezogen auf den Feststoffgehalt der Katalysatorpaste vorliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Katalysatorpaste zur Herstellung einer Katalysatorschicht, insbesondere einer Katalysatorschicht, die für den Einsatz in einer Brennstoffzelle geeignet ist.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind kommerziell erhältliche Standardkatalysatorpulver bekannt, die üblicherweise durch Sprühen oder Gießen aufgebracht werden. Ferner sind weitere Auftragungsverfahren zur Aufbringung einer Katalysatorpaste bekannt, die insbesondere für großtechnische Anwendungen geeignet sind. Schwierigkeiten entstehen regelmäßig dann, wenn für ein technisch relevantes Auftragsverfahren, wie beispielsweise das Rakeln oder der Siebdruck, eine gewisse Mindestviskosität der aufzutragenden Paste gefordert wird. Die kommerziell erhältlichen Standardkatalysatorpulver und die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Katalysatorpaste erfüllen diese Voraussetzungen für die Viskosität regelmäßig nicht. Die auf die herkömmliche Art hergestellten Katalysatorpasten sind in der Regel sehr dünnflüssig, d. h. sie weisen eine Viskosität unterhalb von 50 mPas auf, und sind daher für einige technisch relevanten Auftragsverfahren (z. B. Rakeln, Siebdruck) nicht geeignet.
  • Bislang wurden zunächst geeignete Katalysatorpasten hergestellt, die zu einer leistungsfähigen Katalysatorschicht führen. Erst danach wurde ein Verfahren gesucht, mit dem genau diese Paste verarbeitet werden konnte. Dies bedeutete, dass das Auftragsverfahren an die Pasteneigenschaften der ausgewählten Paste angepasst wurde. Nachteilig konnten dabei häufig nur solche Auftragsverfahren ausgewählt werden, die für eine großtechnische Umsetzung nicht geeignet sind.
  • Der Versuch, durch konventionelle Verdicker die Katalysatorpasten an ein vorteilhafteres Auftragsverfahren anzupassen, führten regelmäßig zu Katalysatorschichten, die den geforderten Leistungsanforderungen nicht mehr genügten. Um die geforderte Viskositätserhöhung zu bewirken, werden die bislang eingesetzten Verdicker der Paste in einer solchen Menge zugeführt, dass sich die Eigenschaften der hergestellten Katalysatorschicht in der Regel nachteilig verschlechtern.
  • Polymernetzwerke führen bekanntermaßen schon bei einem geringen Polymeranteil zu einer Erhöhung der Viskosität von Pasten. Die Zugabe von vernetzten Polymeren zu Katalysatorpasten ist aber regelmäßig nicht zielführend, da vernetzte Polymere nur schlecht löslich sind und eine homogene Einbringung aller Komponenten der Paste in das Netzwerk sehr schwierig ist. Eine homogene Verteilung der Katalysatorteilchen ist aber für die Leistungsfähigkeit der fertigen Katalysatorschicht häufig zwingend erforderlich. Darüber hinaus führen die bei der Dispersionsherstellung erforderlichen Prozessschritte mit hoher Scherbelastung regelmäßig zur Zerstörung des Polymernetzwerkes.
  • Zur Übertragung der Technik auf die Rakelwerke einer Beschichtungsmaschine ist es beispielsweise erforderlich, die Viskosität der Katalysatorpasten in einem Bereich von mindestens 200 mPas einzustellen. Die herkömmlichen Pasten für die Herstellung beispielsweise einer anodischen PtRu-Katalysatorschicht zeigen demgegenüber andere Pasteneigenschaften. Bei kohlenstoffgeträgerten PtRu-C Katalysatoren kann eine Erhöhung des Feststoff-Lösemittel-Verhältnisses von 0,2 auf 0,6 die Pastenviskosität signifikant von 15 auf 150 mPas steigern. Eine solche deutliche Erhöhung des Feststoff-Lösemittel-Verhältnisses führt jedoch in der Regel zur Instabilität der Paste, da häufig die Grenze der Löslichkeit erreicht wird. Diese vorgenannte Vorgehensweise ist daher zur Einstellung der Pastenviskosität ungeeignet. Ferner hat sich als nachteilig herausgestellt, dass sich beim Rakeln durch den hohen Feststoffgehalt der Paste sehr dicke Schichten mit schlechten mechanischen Eigenschaften und zu hohen PtRu-Belegungen ergeben.
  • Aus KR 2002030963 A sind Katalysatorpasten und -schichten bekannt, die neben einem sauren Ionenaustauscherpolymer auch ein basisches Additiv umfassen.
  • Eine Katalysatorpaste und eine daraus hergestellte Katalysatorschicht, die Katalysatoragglomerate, Aktivkohle und ein saures Ionenaustauscherpolymer umfassen, werden auch in WO 03/05 499 A1 offenbart. Zur Bildung dieser Agglomerate können u. a. auch Mischungen von basischen und sauren, ionenleitenden Polymeren verwendet werden. Als mögliche Mischungsbestandteile werden beispielsweise in US 2002/0127454 A1 Nafion und Polyvinyl pyridin genannt.
  • Katalysatorpasten können auch Nafion und Tone aufweisen, die ihrerseits basische Additive enthalten, wie in EP 1 289 043 A1 beschrieben wird.
  • Darüber hinaus wird in WO 99/39841 A1 die Herstellung einer Katalysatorpaste offenbart, bei der die Viskosität vorteilhaft für den jeweiligen Auftragungsprozess eingestellt werden kann.
  • Aufgabe und Lösung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Katalysatorschicht zu schaffen, die mit einem einfachen Auftragungsverfahren, wie beispielsweise dem Rakeln oder dem Siebdruck aufgetragen werden kann, und als fertige Schicht keine wesentlichen Leistungseinbußen gegenüber solchen Schichten aufweist, die mit anderen Auftragungsverfahren aufgebracht werden. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine für eine solche Katalysatorschicht und die oben genannten Auftragungsverfahren geeignete Katalysatorpaste zur Verfügung zu stellen.
  • Eine erste Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine viskose Katalysatorpaste gemäß Hauptanspruch. Eine weitere Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung dieser Katalysatorpaste gemäß Nebenanspruch 4, sowie durch eine Verwendung der Katalysatorpaste zur Herstellung einer Katalysatorschicht gemäß Nebenanspruch 7. Vorteilhafte Ausführungen finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen wieder.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass die Zugabe eines basischen Additivs zu einer Katalysatorpaste umfassend geträgerte und/oder ungeträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens ein saures Ionenaustauscherpolymer, zu einer vorteilhaften Erhöhung der Viskosität der Paste führt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der geringen Menge an Zusatz, welche einerseits zu einer deutlichen Viskositätserhöhung führt, andererseits aber regelmäßig keine Verschlechterung der Katalysatoreigenschaften bewirkt.
  • Die vorteilhafte Wirkungsweise von basischen Additiven, insbesondere von basischen Polymeren und/oder Copolymeren als Zusatz zu einer Katalysatorpaste, basiert auf einer Säure-Base-Reaktion, die zwischen einem in der Paste standardmäßig vorliegenden sauren Ionenaustauscherpolymer mit einem basischen Additiv als Zusatz regelmäßig auftritt. Als geeignete basische Additive im Sinne der Erfindung sind Polymere und Copolymere mit einem stickstoffhaltigen Ringsystem als basische Monomereinheiten zu verstehen. Ferner haben sich auch Mischungen aus verschiedenen Polymeren und/oder Copolymeren mit basischen Monomereiheiten als basische Additive als geeignet herausgestellt.
  • In den erfindungsgemäßen Pasten werden durch die basischen Additive Polymernetzwerke während der Pastenherstellung aufgebaut, indem das vorhandene ionenleitfähige Polymer (eine Säure) beispielsweise mit einem basischen Polymer vernetzt wird. Die Bildung eines Netzwerks aus basischen und sauren Polymeren ist im Prinzip bekannt, kann aber wegen der Komplexität des Systems Katalysatorpaste hier nicht auf einfache und naheliegende Weise angewandt werden.
  • Die Anforderungen an das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einer Katalysatorpaste umfassen dabei
    • – die Auswahl spezieller basischer Additive, insbesondere Polymere und/oder Copolymere, die für die Anwendung in einer Katalysatorpaste geeignet sind,
    • – die Auswahl der geeigneten Menge an basischen Additiven, die gleichzeitig eine optimale Viskosität der Paste und eine optimale Leistung der Schicht bewirkt,
    • – die Auswahl bzw. die Anpassung eines Dispergierverfahrens zur Herstellung der Katalysatorschichten, um die Ausbildung eines Netzwerkes zu erreichen.
  • Aus der Literatur ist beispielsweise Polyethylenimin als basisches Polymer bekannt, welches mit sauren Polymeren zur Gelbildung neigt. Für die Anwendung in einer Katalysatorpaste hat sich Polyethylenimin jedoch als nicht brauchbar herausgestellt.
  • Im Rahmen dieser Erfindung haben sich basische Polymere mit einem Ringsystem umfassend ein Stickstoffatom als besonders effektiv für eine Viskositätserhöhung in einer Katalysatorpaste herausgestellt. Zu diesen vorteilhaften basischen Zusätzen zählen beispielsweise Polymere und/oder Copolymere mit Monomereinheiten umfassend Pyridinringe, wie beispielsweise 4-Vinylpyridin oder auch 2-Vinylpyridin. Ebenfalls besonders geeignet sind auch Polymere und/oder Copolymere mit Pyrrol-Monomereinheiten. Mit umfasst im Rahmen dieser Erfindung sind auch basische Additive, die als basische Polymermischungen, basische Copolymermischungen oder auch als Polymer-Copolymermischung vorliegen.
  • Er hat sich überraschend herausgestellt, dass diese Netzwerkbildung schon bei sehr geringen Zusätzen (> 0,1 Gew.-%) an geeignetem basischen Additiv die gewünschte Wirkung zeigt. Als vorteilhaft haben sich Zugaben zu einer herkömmlichen Katalysatorpaste von nur 0,1 bis 3 Gew.-%, insbesondere von 0,4 bis 2 Gew.-%, und besonders vorteilhaft von 0,6 bis 1,5 Gew.-% herausgestellt. Diese Zugaben bewirken vorteilhaft eine derartige Viskositätserhöhung (> als 100 mPas, insbesondere > 200 mPas) der Katalysatorpaste, dass sie bei Auftragungsverfahren wie Siebdruck oder Rakeln angewendet werden kann. Die Gew.-% Angaben beziehen sich dabei auf den Feststoffanteil an basischem Additiv bezogen auf die Masse an getrockneter Katalysatorschicht. Die Viskosität wird bei einer Scherrate von 100 pro Sekunde gemessen. Vorteilhaft wird der basische Zusatz in Form einer Lösung zugegeben. Der Einsatz derartig geringer Mengen an basischem Additiv führt regelmäßig nicht zu einer nachteiligen Beeinträchtigung der Leistung der hergestellten Katalysatorschicht. Gegebenenfalls, insbesondere bei höheren Zugaben, kann eine geringfügige Beeinträchtigung der Leistung durch eine Nachbehandlung der fertigen Katalysatorschicht in einer verdünnten Säure rückgängig gemacht oder sogar überkompensiert werden. Als vorteilhaft hat sich insbesondere Schwefelsäure als verdünnte Säure herausgestellt. Der vorgenannte Effekt kann durch Erwärmung auf bis zu 90°C sogar noch verbessert werden.
  • Bei den vorgenannten basischen Zusätzen tritt in der Regel in Kontakt mit dem sauren Ionenaustauscherpolymer eine Gelbildung ein. Die Bildung des Gels, und damit die gewünschte Viskositätserhöhung, ist aber regelmäßig abhängig von der Art der Zudosierung des basischen Zusatzes zu der restlichen Katalysatorpaste. Einem Fachmann für Rheologie ist bekannt, dass eine Gelbildung durch zu langsames oder zu schnelles Zudosieren der Komponenten ausbleiben kann, bzw. ein zunächst ausgebildetes Gel durch hohe Scherkräfte wieder zerstört werden kann. Daher ist das Mischungsverfahren auf die Komponenten entsprechend abzustellen.
  • Idealerweise wird für die Herstellung des Katalysatorschicht zunächst die Dispersion aus geträgerten und/oder ungeträgerten Katalysatorteilchen und saurem Ionenaustauscherpolymer wie nach dem Stand der Technik üblich hergestellt, um eine gleichmäßige Verteilung der Katalysatorpartikel zu gewährleisten. Erst im Anschluss daran wird der basische Zusatz, beispielsweise in Form eines basischen Polymers und/oder Copolymers, vorteil haft als Lösung zugegeben.
  • Als besonders wirkungsvoll hat sich ein Verfahren herausgestellt, bei dem eine basische Polymerlösung über eine Dispersion aus geträgerten und/oder ungeträgerten Katalysatorteilchen und saurem Ionenaustauscherpolymer geschichtet wird. Durch Rütteln erfolgt eine Durchmischung der beiden Phasen und die Gelbildung tritt regelmäßig ein. Durch eine sich anschließende Ultraschallbehandlung kann die Homogenisierung weiter vorteilhaft erhöht werden.
  • Im Rahmen dieser Erfindung wird die neue, viskose Katalysatorpaste als Zwischenprodukt zur Weiterverarbeitung zu einer Katalysatorschicht als Endprodukt angesehen.
  • Spezieller Beschreibungsteil
  • Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne daß der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen
  • 1: Halbzellenmessung bei 80 °C, bei der jeweils die Anode eine Katalysatorschicht umfasst:
    fette Kurve: Katalysatorpaste mit 0,9 Gew.-% PVP,
    dünne Kurve: Katalysatorpaste ohne Zusatz von PVP.
  • 2: Halbzellenmessung bei 50 °C, bei der jeweils die Anode eine Katalysatorschicht umfasst:
    Katalysatorpaste mit 1,5 Gew.-% PVP mit Nachbehandlung (fette Kurve), Katalysatorpaste mit 1,5 Gew.-% PVP ohne Nachbehandlung (dünne Kurve) und Katalysatorpaste ohne Zusatz von PVP (gestrichelte Kurve).
  • Im Rahmen dieser Erfindung wird eine Katalysatorpaste für die Herstellung einer Katalysatorschicht zur Verfügung gestellt, bei der einer Katalysatorpaste ein basisches Additiv, insbesondere ein basisches Polymer, bevorzugt Poly(4-vinylpyridin) (PVP), in einer derartigen Menge zugesetzt wird, so dass die nunmehr vorliegende Katalysatorpaste eine Viskosität von mehr als 100 mPas, insbesondere von mehr als 200 mPas aufweist, die regelmäßig zur Aufbringung mittels Rakel oder Siebdruck benötigt wird.
  • Im Falle der anodischen PtRu-Katalysatoren wurde gefunden, dass die Viskositäten der Pasten durch eine geringe Menge an zugegebenem polymeren Additiv sprunghaft angehoben wird. Gleichzeitig wird auf diese Weise die elektrochemische Leistung der Schichten möglichst wenig beeinträchtigt. Insbesondere der Einfluss des Additivs Polyvinylpyridin (PVP) auf die Viskosität und die elektrochemische Leistung der Pasten stellte sich als besonders vorteilhaft heraus. Die basischen funktionellen Gruppen des Polyvinylpyridins führen durch Wechselwirkung mit Sulfonsäuregruppen des Nafions® zur Bildung eines über Ionencluster vernetzten Polymergels in der Katalysatorpaste.
  • Die elektrochemischen Leistungen der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Katalysatorschichten mit PVP-Zusatz auf der Anodendiffusionsschicht wurden evaluiert. Zu diesem Zweck wurden die Pasten mit einem Tischrakelgerät auf Diffusionsschichten aufgetragen und dann zu Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) mit einer Fläche von 2 cm2 verarbeitet. Anschließend wurden Halbzellenmessungen vorgenommen, bei denen die Vermessung gegen eine Wasserstoff entwickelnde Kathode als Referenzelektrode erfolgte, um kathodenseitige Einflüsse auf die Leistungskurven ausschließen zu können. Zwischen Anode und Kathode wurde eine Spannung angelegt (Anode positiv) und der Strom gemessen. An der Anode wird 1 molare Methanollösung oxidiert, an der Kathode wird Wasserstoff entwickelt. Das Anodenpotential wird auf eine stromlose Wasserstoffentwicklungselektrode im Kathodenraum bezogen. Je höher die Stromdichten sind, die bei möglichst niedrigen Anodenpotentialen erreicht werden, desto besser ist die Leistung der getesteten Anode für die Methanoloxidation. Eine Korrektur für Ohm'sche Verluste wird vorgenommen. Da verschiedene Proben in der Regel leicht unterschiedliche Edelmetallbelegungen haben, wird auf die Edelmetallbelegung normiert.
  • Die Ergebnisse, die in 1 zu sehen sind, ergeben, dass die Leistungskurven der PVP-Schichten bei einem Anteil von 0,9 Gew.-% denen einer analogen Schicht ohne PVP vergleichbar sind.
  • Bei höheren PVP-Gehalten (> 1,5 Gew.-%) wurde eine einstündige Nachbehandlung der gerakelten Gasdiffusionselektroden bei 80 °C in verdünnter Schwefelsäure durchgeführt, um vergleichbare Leistungskurven zu erreichen (siehe 2). Bei PVP-Gehalten von 0,9 Gew.-% führte diese Nachbehandlung nur zu geringfügigen Verbesserungen.
  • Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäß mit basischen Additiven versetzte Katalysatorpaste als fertige Katalysatorschicht ähnlich gute Leistungen aufweist, wie herkömmliche, dünnflüssige Katalysatorpasten, allerdings den großen Vorteil aufweist, mit technischen Auftragungsverfahren aufgebracht werden zu können.
  • Nachfolgend werden in einem Ausführungsbeispiel die Parameter für die Erhöhung der Viskosität einer PtRu-Katalysator-paste mit Polyvinylpyridin als basischen Zusatz aufgeführt.
  • Ansatz für die Katalysatorpaste:
    • 3,0 g Pt/Ru-C (40% Edelmetall)
    • 6,0 ml Wasser
    • 6,0 ml 2-Propanol
    • 8,55 g Nafion® – Lösung (15 Gew.-%)
  • Behandlung der Katalysatorpaste:
    • 10 min Ultraschallbad
    • 3 min Ultraturrax
  • Ansatz für das basische Additiv:
    • 342 mg PVP-Lösung (210 mg PVP in 2 ml 2-Propanol = 11,6 Gew.-%) entspricht 0,92 Gew.-% PVP im Feststoff
  • Zudosierung des Additivs:
  • Man läßt die PVP-Lösung vorsichtig an der Gefäßwand herab laufen, die die Katalysatorpaste enthält. Es kommt zu einer Überschichtung der Katalysatorpaste durch die das Additiv aufweisende Lösung.
    • 1 min rütteln
    • 10 min Ultraschallbad
  • Durch die vorgenannte Art der Durchmischung bildet sich besonders einfach ein Polymernetzwerk aus, welches zu einer deutlichen Viskositätserhöhung führt.

Claims (9)

  1. Katalysatorpaste, umfassend geträgerte oder ungeträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens ein saures Ionenaustauscherpolymer, gekennzeichnet durch – ein basisches Additiv, welches wenigstens ein Polymer oder Copolymer mit einem stickstoffhaltigen Ringsystem als basische Monomereinheit umfasst, – wobei das basische Additiv mit einem Feststoffanteil von 0,1 bis 3 Gew.-% bezogen auf den Feststoffgehalt der Katalysatorpaste vorliegt.
  2. Katalysatorpaste nach Anspruch 1, in der das basische Additiv mit einem Anteil von 0,4 bis 2 Gew.-%, insbesondere mit einem Anteil von 0,6 bis 1,5 Gew.-% bezogen auf den Feststoffgehalt der Katalysatorpaste vorliegt.
  3. Katalysatorpaste nach Anspruch 1 bis 2 gekennzeichnet durch wenigstens ein Polymer oder Copolymer umfassend 4-Vinylpyridin und/oder 2-Vinylpyridin und/oder Pyrrol als basisches Additiv.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorpaste gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit dem Schritt – zu einer Mischung aus geträgerten oder ungeträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens einem sauren Ionenaustauscherpolymer wird ein basisches Additiv mit einem Anteil von 0,1 bis 3 Gew.-% bezogen auf den Feststoffgehalt der Katalysatorpaste zugegeben, wobei – das basische Additiv wenigstens ein basisches Polymer oder Copolymer mit einem stickstoffhaltigen Ringsystem als basische Monomehreinheit umfasst, – und wobei die Viskosität erhöht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4 bei dem das basische Additiv in Form einer Lösung zugegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 bei dem das basische Additiv als Lösung über die Mischung aus geträgerten oder ungeträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens einem sauren Ionenaustauscherpolymer geschichtet wird und anschließend durch Schütteln homogenisiert wird.
  7. Verwendung der Katalysatorpaste gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer Katalysatorschicht, wobei die Katalysatorpaste mit Hilfe der Siebdrucktechnik oder durch Rakeln auf ein Substrat aufgebracht wird.
  8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei die Katalysatorschicht bei Temperaturen bis zu 90°C in einer verdünnten Säure behandelt wird.
  9. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Katalysatorschicht auf einer Anodendiffusionsschicht einer Brennstoffzelle aufgebracht wird.
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