DE112004000170T5 - Verbesserter Elektrokatalysator für PEM-Brennstoffzellen auf Grundlage gemischter Kohlenstoffträger - Google Patents
Verbesserter Elektrokatalysator für PEM-Brennstoffzellen auf Grundlage gemischter Kohlenstoffträger Download PDFInfo
- Publication number
- DE112004000170T5 DE112004000170T5 DE112004000170T DE112004000170T DE112004000170T5 DE 112004000170 T5 DE112004000170 T5 DE 112004000170T5 DE 112004000170 T DE112004000170 T DE 112004000170T DE 112004000170 T DE112004000170 T DE 112004000170T DE 112004000170 T5 DE112004000170 T5 DE 112004000170T5
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- catalyst
- alloy
- surface area
- catalyst composition
- carbon particles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 55
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 42
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 28
- 239000000969 carrier Substances 0.000 title description 3
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 title 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 189
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 26
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 claims description 15
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 claims description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 7
- 229910002849 PtRu Inorganic materials 0.000 claims description 6
- -1 PtMi Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 229910002837 PtCo Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910002836 PtFe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910002847 PtSn Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 55
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 12
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 7
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
- H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/18—Carbon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/42—Platinum
-
- B01J35/19—
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
- H01M4/8652—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Katalysatorzusammensetzung
mit:
einem ersten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet ist, und
einem zweiten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m2/g ausgebildet ist.
einem ersten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet ist, und
einem zweiten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m2/g ausgebildet ist.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft allgemein ein Wasserstoff-Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Membranelektrodenanordnung (MEA) für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle), die einen verbesserten Elektrodenkatalysator verwendet.
- 2. Beschreibung des Standes der Technik
- Wasserstoff stellt eine sehr attraktive Brennstoffquelle dar, da sie sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
- Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoff protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben. Viele Brennstoffzellen sind in einem Stapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen.
- PEM-Brennstoffzellen stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. In einer PEM-Brennstoffzelle ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand, d.h. der Brennstoff, und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand, d.h. das Oxidationsmittel. Der Kathodenreaktand kann entweder reiner Sauerstoff oder Luft (ein Gemisch aus O2 und N2) sein. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Kombination der Anode, Kathode und Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Die MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).
-
1 ist eine Schnittansicht einer vereinfachten MEA10 für eine PEM-Brennstoffzelle. Die MEA10 umfasst eine Kathode12 , eine Anode14 und eine dünne protonenleitende Polymerelektrolytmembran16 , die dazwischen schichtartig angeordnet ist. Die Kathode12 umfasst eine Gasdiffusionslage18 und eine Kathodenkatalysatorlage20 , die an einer Fläche der Diffusionslage18 neben der Membran16 ausgebildet sind, wie gezeigt ist. - Die Katalysatorlage
20 umfasst dispergierte Kohlenstoffpartikel22 , an denen Platinpartikel24 angehaftet sind. Ähnlicherweise umfasst die Anode14 eine Gasdiffusionslage26 und eine Anodenkatalysatorlage28 , die an einer Fläche der Diffusionslage26 neben der Membran16 ausgebildet sind, wie gezeigt ist. Die Katalysatorlage28 umfasst dispergierte Kohlenstoffpartikel30 , an denen Platinpartikel32 angehaftet sind. - Der Platinkatalysator spaltet die Wasserstoffprotonen und Elektronen von dem Wasserstoff-Brennstoff in der Anode
14 auf und kombiniert die Elektronen, Wasserstoffprotonen und den Sauerstoff in der Kathode12 , um Wasser zu erzeugen. Die Kathodenkatalysatorlage20 und die Anodenkatalysatorlage28 können identisch sein, um diesen chemischen Betrieb vorzusehen. Die Leistungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzelle ist durch die Sauerstoffreduktionsreaktion (SRR) in der Kathode12 begrenzt, da die Sauerstoffatome größer und langsamer als die Wasserstoffatome in der Anode14 sind. Somit ist die Reaktion von Sauerstoff mit dem Platin in der Kathode12 langsamer als die Reaktion von Wasserstoff mit dem Platin in der Anode14 . Daher ist es wichtig, ein Katalysatorgebiet vorzusehen, das für einen guten Zugang der Sauerstoffatome zu den Platinpartikeln24 in der Katalysatorlage20 sorgt. - Es können verschieden große Kohlenstoffpartikel in einem Pulverformat vorgesehen werden, um zu ermöglichen, dass die Platinpartikel daran anhaften können. Es ist erwünscht, die Größe der Kohlenstoffpartikel klein genug zu machen, so dass mehr Oberfläche zur Aufnahme des Platins vorhanden ist. Da jedoch die Größe der Kohlenstoffpartikel abnimmt, nimmt die Porosität der Katalysatorlage ab, was die Fähigkeit der Katalysatorlage verringert, einen Gastransport, der die Wasserstoff- und Sauerstoffgase umfasst, zu ermöglichen, wie auch die Fähigkeit der Katalysatorlage verringert, Wasser auszutragen.
- In der Technik sind verschiedene Katalysatoren für die Katalysatorlagen
20 und28 bekannt. Gegenwärtig umfassen die besten MEA-Katalysatoren 40–50 Gewichtsprozent (Gew.-%) Platin (Pt), das an einem Kohlenstoffträger angehaftet ist. Zwei gut bekannte Katalysatoren für eine MEA umfassen 50 Gew.-% Pt, das auf Vulcan-XC72-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g (nachfolgend Katalysator 1) ausgebildet ist, und 50 Gew.-% Pt, das auf Ketjen-Black-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m2/g (nachfolgend Katalysator 2) ausgebildet ist. BET ist ein Maß, wie viel Stickstoff auf der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel adsorbiert wird und das in Bezug zu der Oberfläche, d.h. der Größe der Kohlenstoffpartikel in dem Pulver, gebracht werden kann. Somit definiert die BET-Oberfläche die Porosität des Kohlenstoffs. Eine BET-Oberfläche mit höherem Wert besitzt kleinere Kohlenstoffpartikel, um zu ermöglichen, dass mehr Platin daran angebracht werden kann. Eine BET-Oberfläche mit niedrigerem Wert besitzt größere Kohlenstoffpartikel, die eine kleinere Oberfläche, jedoch eine größere Porosität für die Strömung des Wassers und der Gase durch die Diffusionslagen18 und26 , die Membran16 wie auch die Katalysatorlagen20 und28 vorsehen. Daher besitzt der Katalysator 1 eine größere Porosität jedoch eine kleinere Kohlenstoffoberfläche, an der das Platin anhaften kann, im Vergleich zu dem Katalysator 2. -
2 ist ein Diagramm mit der Spannung an der vertikalen Achse und der Stromdichte an der horizontalen Achse, das Polarisationskurven für sowohl Sauerstoff als auch Luft für die Katalysatoren 1 und 2 zeigt. Die Katalysatoren 1 und 2 besitzen eine Platindichte (Beladung) von 0,4 mg Pt/cm2, 150 kPa, TZelle = 80 C, Taupunkt = 80/80C und Stöchiometrie ist 2,0 H2-Anode und an der Kathode entweder 9,5 für reinen Sauerstoff oder 2,0 für Luft. Die Dicke der Lage des Katalysators 1 beträgt etwa 13–14 μm, und die Dicke der Lage des Katalysators 2 beträgt etwa 10 μm. Die elektrochemische Platinoberfläche ist für den Katalysator 1 niedriger (55 m2/g) im Vergleich zu 66 m2/g für das auf dem Katalysator 2 getragene Platin. - Die Diagrammlinie
40 ist die Spannung für den Katalysator 1, wenn Sauerstoff das Kathodenoxidationsmittel ist, die Diagrammlinie42 ist die Spannung für den Katalysator 2, wenn Sauerstoff das Kathodenoxidationsmittel ist, die Diagrammlinie44 ist die Spannung für den Katalysator 1, wenn Luft das Kathodenoxidationsmittel ist, und die Diagrammlinie46 ist die Spannung für den Katalysator 2, wenn Luft das Kathodenoxidationsmittel ist. Die Spannung an der vertikalen Achse umfasst nicht den Innenwiderstand der MEA10 , der einen Spannungsabfall über die Membran16 (E-IR frei) erzeugt. Aufgrund der Sauerstoffpolarisationskurve sieht der Katalysator 2 eine Steigerung von 20–30 mV gegenüber dem Katalysator 1 vor. - Das Brennstoffzellenbetriebsverhalten für ein Oxidationsmittel aus reinem Sauerstoff ergibt die am besten kinetisch gesteuerte Leistungsfähigkeit für sowohl den Katalysator 1 als auch 2. Für niedrige Stromdichten unter Verwendung von Luft als dem Kathodenoxidationsmittel ist die SRR immer noch kinetisch gesteuert, so dass der Katalysator 2 die beste Leistungsfähigkeit bzw. das beste Betriebsverhalten vorsieht. Dies kann auf die hohe Dispersität von Platin an den kleineren Kohlenstoffpartikeln zurückgeführt werden. Für höhere Stromdichten unter Verwendung von Luft treten jedoch Massentransportbegrenzungen als Ergebnis des Flutens und dergleichen auf. Das Fluten ist das Phänomen, das auftritt, wenn die Poren in der Katalysatorlage zu klein sind, als dass das Wasser entfernt werden könnte. Der schlechte Massentransport kann das Ergebnis kleinerer Poren in der Katalysatorlage, die den Katalysator 2 enthält, sein.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine MEA für eine PEM-Brennstoffzelle offenbart, die einen verbesserten Elektrodenkatalysator verwendet. Die MEA umfasst eine Anode, eine Kathode und eine Polymerelektrolytmembran dazwischen. Die Anode umfasst eine Gasdiffusionslage und eine Anodenkatalysatorlage benachbart der Elektrolytmembran. Die Kathode umfasst eine Gasdiffusionslage und eine Kathodenkatalysatorlage benachbart der Elektrolytmembran. Bei einer Ausführungsform ist der Katalysator für die Anodenkatalysatorlage und/oder die Kathodenkatalysatorlage eine Kombination aus einem ersten Katalysator und einem zweiten Katalysator. Der erste Katalysator umfasst etwa 50 Gew.-% Pt auf Vulcan-XC72-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g. Der zweite Katalysator umfasst 50 Gew.-% Pt auf Ketjen-Black-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m2/g. Bei einer Ausführungsform beträgt die BET-Oberfläche des zweiten Katalysators etwa 800 m2/g, und das Verhältnis des ersten Katalysators zu dem zweiten Katalysator beträgt 1:1.
- Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen deutlicher.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine Vorderansicht im Schnitt einer MEA für eine PEM-Brennstoffzelle, die einen verbesserten Katalysator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet; -
2 ist ein Diagramm mit der Spannung an der vertikalen Achse und der Stromdichte an der horizontalen Achse, das Polarisationskurven zeigt, die die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit für Sauerstoff und Luft für zwei verschiedene Katalysatoren zeigen; und -
3 ist das in2 gezeigte Diagramm mit der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit für den Katalysator der Erfindung. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Katalysator für eine MEA in einer PEM-Brennstoffzelle gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
- Wie oben auf Grundlage der in
2 gezeigten Polarisationskurven beschrieben ist, besitzt der Katalysator 2 über den gesamten Stromdichtebereich mit Sauerstoff eine Erhöhung von 20–30 mV gegenüber dem Katalysator 1. Um diesen Vorteil über den gesamten Stromdichtebereich mit Luft zu erzielen, schlägt die vorliegende Erfindung das Mischen der Katalysatoren 1 und 2 vor, um einen verbesserten Katalysator vorzusehen. Bei einer Ausführungsform werden die beiden Katalysatoren in einem Verhältnis von 1:1 gemischt. Der Katalysator der Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber den Katalysatoren 1 und 2 allein dar, da er eine erhöhte Spannungsabgabe über den anwendbaren Bereich von Stromdichten vorsieht, als mit nur einem der Katalysatoren 1 und 2. Somit können die Katalysatorlagen in einer MEA dünner ausgebildet werden, d.h. mit einer geringeren Pt-Beladung, um dieselbe Spannungsabgabe wie mit stärker Pt-beladenen Katalysatoren vorzusehen. Durch Kombination der Katalysatoren 1 und 2 wird der Kompromiss zwischen Porengröße und Kohlenstoffoberfläche verbessert. Die Katalysatorlage wird optimiert, indem ein Gleichgewicht zwischen dem Katalysator mit der höheren Oberfläche (Katalysator 2), der gut dispergierte Pt-Partikel aufweist, und dem Katalysator mit geringerer Oberfläche (größere Kohlenstoffpartikel) (Katalysator 1) erzeugt wird, der eine erhöhte Porosität besitzt. -
3 ist das in2 gezeigte Diagramm mit der Leistungsfähigkeit des Katalysators der Erfindung. Für niedrige Stromdichten unter Verwendung von Luft ist die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit für den vorgeschlagenen Katalysator der Erfindung geringfügig niedriger, als für den Katalysator 2 allein. Jedoch folgt bei hohen Stromdichten unter Verwendung von Luft die Zellenleistungsfähigkeit dem Katalysator 1, jedoch insgesamt mit einer Steigerung von 30 mV. Die Dicke bei einer Beladung von 0,4 mg/cm2 für den Katalysator der Erfindung beträgt etwa 14 μm, die ähnlich zu der des Katalysators 1 ist. Dies zeigt, dass der Katalysator der Erfindung eine ähnliche Gesamtporosität wie der Katalysator 1 besitzt, so dass die Massentransportbegrenzungen demselben Trend folgen. Die Vorteile für den Katalysator der Erfindung bestehen darin, dass er nicht nur eine Katalysatorlage mit einer gewünschten Porosität von dem Katalysator 1 erzeugt, sondern auch eine höhere elektrokatalytische Aktivität aufgrund des Beitrags der hohen Platindispersion von dem Katalysator 2 aufweist. - Gemäß der Erfindung kann der verbesserte Katalysator der Erfindung in der Kathodenkatalysatorlage
20 und/oder der Anodenkatalysatorlage28 verwendet werden. Es wird angenommen, dass der größte Nutzen durch Verwendung des Katalysators in beiden Katalysatorlagen20 und28 erzielt werden kann. - Variationen der Katalysatoren 1 und 2 können kombiniert werden, um den Katalysator gemäß der Erfindung vorzusehen. Beispielsweise können andere Kohlenstoffträger neben Vulcan und Ketjen Black in sowohl der Anode
14 als auch der Kathode12 verwendet werden, wie beispielsweise Acetylen Black bzw. Acetylenruß mit einer BET-Oberfläche von 50–100 m2/g und Black Pearls mit einer BET-Oberfläche von 1500–2000 m2/g. Ferner können Mischungen dieser verschiedenen Kohlenstoffträger, wie beispielsweise Kombinationen von Acetylen Black, Ketjen Black, Vulcan, Black Pearls, etc. verwendet werden. Gemäß der Erfindung ist es erwünscht, dass der resultierende Katalysator eine Kombination aus zwei oder mehreren Katalysatoren mit Kohlenstoff mit niedriger Oberfläche und Kohlenstoff mit hoher Oberfläche ist. - Ferner können andere Gewichtsprozentsätze von Platin in den Katalysatoren 1 und 2 verwendet werden. Beispielsweise kann der Katalysator 1 20 Gew.-% Pt, getragen auf Vulcan umfassen, und der Katalysator 2 kann 70 Gew.-% Pt, getragen auf Ketjen Black umfassen. Der Katalysator 1 kann 50 Gew.-% Pt, getragen auf Vulcan umfassen, und der Katalysator 2 kann 10 Gew.-% Pt, getragen auf Ketjen Black umfassen. Der Katalysator 1 kann 30 Gew.-% Pt, getragen auf Vulcan umfassen, und der Katalysator 2 kann 30 Gew.-% Pt, getragen auf Ketjen Black umfassen. Es können auch andere geeignete Gewichtsprozentsätze von Platin verwendet werden. Auch können die Verhältnisse der Katalysatoren 1 und 2 von dem Verhältnis von 1:1 verschieden sein. Beispielsweise kann das Verhältnis des Katalysators 1 zu dem Katalysator 2 1:5 bis 5:1, 1:2 bis 2:1 oder 1:0,8 etc. sein.
- Auch können andere Katalysatormetalle verwendet werden, wie beispielsweise Platinlegierungen. Beispielsweise kann das Katalysatormetall PtRu sein, wie beispielsweise eine Kombination aus auf Vulcan getragenem PtRu gemischt mit auf Ketjen Black getragenem PtRu. Das Katalysatormetall kann einen beliebigen geeigneten Gewichtsprozentsatz eines auf Kohlenstoff getragenen Katalysatormetalls umfassen. Das Katalysatormetall kann PtCo, PtFe, PtMi, PtSn, PtTi, PtRu oder eine beliebige andere Pt-Legierung mit geeigneten Übergangsmetall- oder anderen Nichtedelmetallkatalysatoren sein.
- Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute wird es aus der vorhergehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen offensichtlich, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen darin ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
- Zusammenfassung
- Eine Membranelektrodenanordnung für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle verwendet einen verbesserten Katalysator. Der Katalysator ist eine Mischung eines ersten Katalysators und eines zweiten Katalysators. Der erste Katalysator umfasst 50 Gew.-% Pt und ist auf Vulcan-XC72-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet. Der zweite Katalysator umfasst 50 Gew.-% Pt und ist auf Ketjen-Black-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m2/g ausgebildet. Das Verhältnis des ersten Katalysators zu dem zweiten Katalysator beträgt 1:1.
Claims (27)
- Katalysatorzusammensetzung mit: einem ersten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet ist, und einem zweiten Katalysator, der 10–70 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1000 m2/g ausgebildet ist.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung ein Verhältnis von 1:1 des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators umfasst.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der zweite Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der zweite Katalysator eine Oberfläche von etwa 800 m2/g besitzt.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffpartikel in dem ersten und zweiten Katalysator Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black, Vulcan und/oder Kombinationen von Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black und Vulcan umfassen.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Pt-Legierung PtRu, PtCo, PtFe, PtMi, PtSn, PtTi und/oder Pt-Legierungen mit geeigneten Übergangsmetall- oder anderen Nichtedelmetallkatalysatoren umfasst.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung eine Katalysatorbeladung von weniger als 0,4 mg/cm2 umfasst.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorzusammensetzung Teil einer Anode und/oder einer Kathode in einer Membranelektrodenanordnung ist.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Membranelektrodenanordnung Teil einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist.
- Katalysatorzusammensetzung mit einer Mischung eines ersten Katalysators und eines zweiten Katalysators, wobei der erste Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt umfasst und auf Vulcan-XC72-Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet ist, und der zweite Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt umfasst und auf Ketjen-Black-Kohlenstoffpartikel mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m2/g ausgebildet ist.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Mischung eine Mischung von 1:1 des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators ist.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorzusammensetzung eine Katalysatorbeladung von kleiner als 0,4 mg/cm2 umfasst.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Katalysatorzusammensetzung Teil einer Anode und/oder einer Kathode in einer Membranelektrodenanordnung ist.
- Katalysatorzusammensetzung nach Anspruch 14, wobei die Membranelektrodenanordnung Teil einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist.
- Membranelektrodenanordnung (MEA) für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, wobei die Anordnung umfasst: eine Elektrolytmembran; eine Anode, die an einer Seite der Membran positioniert ist; und eine Kathode, die an einer der Anode entgegengesetzten Seite der Membran positioniert ist, wobei die Kathode eine Kathodenkatalysatorlage umfasst, wobei die Kathodenkatalysatorlage eine Katalysatorzusammensetzung umfasst, die aus einer Mischung eines ersten Katalysators und eines zweiten Katalysators besteht, wobei der erste Katalysator 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet ist, und der zweite Katalysator 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1200 m2/g ausgebildet ist.
- MEA nach Anspruch 16, wobei die Katalysatorzusammensetzung ein Verhältnis von 1:1 des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators umfasst.
- MEA nach Anspruch 16, wobei der erste Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
- MEA nach Anspruch 16, wobei der zweite Katalysator etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung umfasst.
- MEA nach Anspruch 16, wobei der zweite Katalysator eine BET-Oberfläche von etwa 800 m2/g umfasst.
- MEA nach Anspruch 16, wobei die Kohlenstoffpartikel in dem ersten und zweiten Katalysator Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black, Vulcan und/oder Kombinationen von Acetylen Black, Black Pearls, Ketjen Black und/oder Vulcan umfassen.
- MEA nach Anspruch 16, wobei die Pt-Legierung PtRu, PtCo, PtFe, PtMi, PtSn, PtTi und/oder Pt-Legierungen mit geeigneten Übergangsmetall- oder anderen Nichtedelmetallkatalysatoren umfasst.
- MEA nach Anspruch 16, wobei die Katalysatorzusammensetzung eine Katalysatorbeladung von weniger als 0,4 mg/cm2 umfasst.
- Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorzusammensetzung, umfassend, dass: ein erster Katalysator vorgesehen wird, der 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 250 m2/g ausgebildet ist; ein zweiter Katalysator vorgesehen wird, der 10–70 Gew.-% Pt oder einer Pt-Legierung umfasst und auf Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche im Bereich von 600–1200 m2/g ausgebildet ist; und der erste Katalysator und der zweite Katalysator gemischt werden, um die Zusammensetzung auszubilden.
- Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Mischen des ersten Katalysators mit dem zweiten Katalysator umfasst, dass der erste Katalysator mit dem zweiten Katalysator in einem Verhältnis von 1:1 gemischt wird.
- Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen des ersten Katalysators umfasst, dass der erste Katalysator mit etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung, getragen auf Vulcan-XC72-Kohlenstoffpartikeln vorgesehen wird.
- Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen des zweiten Katalysators umfasst, dass der zweite Katalysator mit etwa 50 Gew.-% Pt oder Pt-Legierung, getra gen auf Ketjen-Black-Kohlenstoffpartikeln mit einer BET-Oberfläche von etwa 800 m2/g vorgesehen wird.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/360,999 | 2003-02-07 | ||
US10/360,999 US20040157109A1 (en) | 2003-02-07 | 2003-02-07 | PEMFC electrocatalyst based on mixed carbon supports |
US10/765,816 | 2004-01-27 | ||
US10/765,816 US20040186012A1 (en) | 2003-02-07 | 2004-01-27 | PEMFC electrocatalyst based on mixed carbon supports |
PCT/US2004/003266 WO2004073087A2 (en) | 2003-02-07 | 2004-02-05 | Improved pemfc electrocatalyst based on mixed carbon supports |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE112004000170T5 true DE112004000170T5 (de) | 2008-01-10 |
Family
ID=32871607
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE112004000170T Withdrawn DE112004000170T5 (de) | 2003-02-07 | 2004-02-05 | Verbesserter Elektrokatalysator für PEM-Brennstoffzellen auf Grundlage gemischter Kohlenstoffträger |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20040265665A1 (de) |
JP (1) | JP2006518272A (de) |
DE (1) | DE112004000170T5 (de) |
WO (1) | WO2004073087A2 (de) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4207120B2 (ja) * | 2003-04-08 | 2009-01-14 | ソニー株式会社 | 触媒電極並びに電気化学デバイス |
US20110159400A1 (en) * | 2010-03-02 | 2011-06-30 | Ford Global Technologies, Llc | Hybrid Catalyst System and Electrode Assembly Employing the Same |
US9484583B2 (en) | 2013-10-14 | 2016-11-01 | Nissan North America, Inc. | Fuel cell electrode catalyst having graduated layers |
US10205173B2 (en) | 2014-07-08 | 2019-02-12 | Bdf Ip Holdings Ltd. | Cathode design for electrochemical cells |
KR20210085605A (ko) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 코오롱인더스트리 주식회사 | 연료전지용 촉매, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6287717B1 (en) * | 1998-11-13 | 2001-09-11 | Gore Enterprise Holdings, Inc. | Fuel cell membrane electrode assemblies with improved power outputs |
DE10047935A1 (de) * | 1999-09-27 | 2001-07-19 | Japan Storage Battery Co Ltd | Elektrode für Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung derselben |
WO2002037586A1 (fr) * | 2000-10-31 | 2002-05-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Pile a combustible a electrolyte de haut polymere |
WO2002073723A1 (fr) * | 2001-03-08 | 2002-09-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Pile a combustible d'electrolyte polymere |
-
2004
- 2004-02-05 DE DE112004000170T patent/DE112004000170T5/de not_active Withdrawn
- 2004-02-05 WO PCT/US2004/003266 patent/WO2004073087A2/en active Application Filing
- 2004-02-05 JP JP2006501135A patent/JP2006518272A/ja active Pending
- 2004-05-21 US US10/851,695 patent/US20040265665A1/en not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2004073087A3 (en) | 2005-04-21 |
WO2004073087A2 (en) | 2004-08-26 |
US20040265665A1 (en) | 2004-12-30 |
JP2006518272A (ja) | 2006-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19812592B4 (de) | Membran-Elektroden-Einheit für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Tinte | |
DE69435082T2 (de) | Organische brennstoffzelle, verfahren zum betrieb der zelle und herstellung einer elektrode dafür | |
DE102008046403B4 (de) | Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysatoren enthaltende Elektroden | |
DE60303856T2 (de) | Membran-Elektroden-Einheit für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen | |
EP0987777B1 (de) | Katalysatorschicht für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen | |
DE112006001729B4 (de) | Spannungswechselbeständige Brennstoffzelleneletrokatalysatorschicht, Brennstoffzelle umfassend dieselbe und Verwendung derselben | |
DE19958959B4 (de) | Brennstoffzellenelektrode und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode | |
DE102009025253B4 (de) | Brennstoffzelle mit einem Elektrolyt stabilisierenden Mittel und Herstellverfahren dafür | |
DE102010004054B4 (de) | Verfahren zum Ausbilden einer Membranelektrodenanordnung | |
DE102008034353B4 (de) | Membranelektrodenanordnung und deren Verwendung | |
DE102008003197B4 (de) | Membranelektrodeneinheit und Verfahren zum Mindern von Elektrodendegradation während Einschalt- und Abschaltzyklen | |
DE102010028242A1 (de) | Elektrode für eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle und Verfahren zum Bilden einer Membran-Elektroden-Anordnung unter Verwendung derselben | |
DE10297187T5 (de) | Elektrodenkatalysatorschicht zur Verwendung in einer Brennstoffzelle | |
DE10392493T5 (de) | Brennstoffzellen und Brennstoffzellenkatalysatoren | |
DE102007033723A1 (de) | Verwendung von Opfermaterial, um eine Katalysatorträgerkorrosion in einer Brennstoffzellenelektrode zu vermindern | |
DE102007055222B4 (de) | Metall-Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen und Brennstoffzelle | |
DE102011118236A1 (de) | Verbesserte Brennstoffzellen-Lebensdauer durch auf Oxid getragene Edelmetalle in einer Membran | |
DE102014118286A1 (de) | Dünner konformer Film aus Edelmetall auf einem Träger | |
DE102016220653A1 (de) | Korrosionsbeständiger katalysator | |
DE102016113854A1 (de) | Oxidative Kontrolle der Porenstruktur in kohlenstoffgeträgerten Katalysatoren auf PGM-Basis | |
DE10052195B4 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode | |
DE10250884B4 (de) | Elektrode für Polymerelektrolytbrennstoffzellen und Verfahren zur Herstellung derselben | |
DE102010035356A1 (de) | Co(II)Tetramethoxyphenylporphyrin-Zusatz zu PFSA-PEM'en für eine verbesserte Brennstoffzellenhaltbarkeit | |
DE102020110990A1 (de) | Katalysator für Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren dafür | |
DE112004000170T5 (de) | Verbesserter Elektrokatalysator für PEM-Brennstoffzellen auf Grundlage gemischter Kohlenstoffträger |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT |
|
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT AUFGEHOBEN |
|
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110901 |