DE3122786A1 - "legierter edelmetallkatalysator fuer die katalytische redutkion von sauerstoff" - Google Patents
"legierter edelmetallkatalysator fuer die katalytische redutkion von sauerstoff"Info
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Description
-ν-
• * PATENTANWALT
0R-R'CHARD KNEfSSL
0R-R'CHARD KNEfSSL
Wldenmayerstr. 46
D-8000 MÜNCHEN 22
D-8000 MÜNCHEN 22
ΤθΙ. 089/295125 9· Juni 1981
DE
United Technologies Corporation in Hartford, Ct. / V. St, A.
Legierter Edelmetallkatalysator für die katalytische Reduktion
von Sauerstoff
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Die Erfindung bezieht sich auf Katalysatoren aus einer. Edelmetallegierung für die Verwendung in Elektroden für
Brennstoffzellen und anderen katalytischen Vorrichtungen.
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, welche die
Energie einer chemischen Reaktion zwischen· einem Brennstoff
und einem Oxidationsmittel direkt in einen elektrischen Gleichstrom niedriger Spannung umwandelt. Um eine
hohe Effizienz der. Umwandlung zu erzielen, ist es nötig, daß die Reaktionen zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel
in solcher Weise ablaufen, daß die Energiemenge, die in Wärme umgewandelt wird, so klein wie möglich
ist. Gleichzeitig sollten die Reaktionsgeschwindigkeiten hoch genug sein, um in wirtschaftlicher Weise .
eine brauchbare Menge Strom aus einer Zelle praktischer Größe zu erhalten. Aus diesem Grunde ist es üblich, in
die Brennstoffzelle Katalysatoren einzuverleiben, welche die an den Elektroden ablaufenden Reaktionen beschleunigen.
· ■
Eine typische Brennstoffzelle enthält eine Brennstoffelektrode
oder Anode, eine Oxidationsmittelelektrode oder Kathode, einen Elektrolyt zwischen den Elektroden und Einrichtungen
für.die Zuführungen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu den entsprechenden Elektroden. .Jede Elektrode
besteht typischerweise aus einem porösen, leitenden Substrat mit einer auf der Oberfläche aufgebrachten und
dem Elektrolyt zugewandten Katalysatorschicht.
Beim Betrieb wird der Brennstoff, üblicherweise Wasserstoff,
der Anode zugeführt, wo er an einer katalytischen Oberfläche in Gegenwart eines Elektrolyts unter Freisetzung
von Elektronen oxidiert wird. Gleichzeitig wird Sauerstoff oder Luft der Kathode zugeführt, wo der Sauerstoff an einer
katalytischen Oberfläche in Gegenwart des Elektrolyts un-
ter Verbrauch von Elektronen reduziert wird. Die an der·
Anode gebildeten Elektronen werden durch außerhalb der Zelle.liegende Drähte zur Kathode geführt und bilden somit
einen elektrischen Strom, der nutzbare Arbeit leisten kann.
Bei der Entwicklung von Brennstoffzellen für die Raumfahrt
sowie für kommerzielle und industrielle Anwendungen wurde sehr viel Forschungsarbeit geleistet, um verbesserte Katalysatoren
zu finden. Beispielsweise wurde demonstriert, daß die Aktivität je Masseneinheit Katalysator, üblicherweise
ein Edelmetall, durch Verteilung desselben in Form feiner Teilchen über die Oberfläche eines aus Metall oder
Kohlenstoff bestehenden Trägermaterial mit hoher Oberfläche
verbessert werden kann. Diese Lösung hat sich als besonders brauchbar in Brennstoffzellen erwiesen, bei denen
saure Elektrolyte verwendet werden, beispielsweise wenn teilchenförmiges Platin auf einem leitenden Trägermaterial,
wie z. B. Ruß, in feinzerteiltem Zustand aufgebracht wird und der Trägerkatalysator in Mischung mit einem geeigneten
Bindemittel, wie z. B. Teflon (Dupont) als dünne Schicht
auf ein leitendes Kohlepapier oder ein Metallnetz zur Herstellung einer Elektrode aufgebracht wird.
Weiterhin hat es sich erwiesen, daß im Vergleich zu .unlegierten
Edelmetallkatalysatoren gewisse Legierungen von Edelmetallen eine erhöhte katalytisch^ Aktivität und/oder
eine erhöhten Widerstand gegenüber Sintern und Auflösen in einer Brennstoffzelle oder in anderen chemischen und
elektrochemischen Verfahren zeigen. Beispielsweise ist in der US-PS 3 506 494 ein Verfahren zur Herstellung einer
ternären Legierung für die Verwendung an der Anode einer
Brennstoffzelle beschrieben. Die ternäre Legierung besteht aus Platin, Ruthenium und einem aus Gold, Rhenium,
Tantal," Wolfram, Molybdän, Silber, Rhodium, Osmium und
Iridium ausgewählten Metall. Es wird zwar in Spalte 3, Zeilen 67 bis 70, dieser Patentschrift festgestellt, daß
der Legierungskatalysator auf einem Träger mit großer Ober-
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fläche, wie ζ. S. Kohlepulver, dispergiert sein kann, jedoch wird darin kein spezielles Verfahren hierfür angegeben.
. . ·
In der US-PS 3 428 490 ist ein anderes Verfahren zur Herstellung
von Brennstoffzellenanoden angegeben. In diesem 1PaIl wird ein trägerloses Platin mit Aluminium legiert und
auf ein Elektrodensubstrat aufgebracht. Zur Herstellung
der fertigen Elektrode wird das Aluminium dann so weit wie
möglich herausgelaugt. Die Entfernung des Aluminiums ergibt eine große Anzahl von Reaktionsstellen oder Poren '
in der Elektrode. Es wird festgestellt, daß die Poren die Oberfläche erhöhen und damit die Aktivität des Katalysators
steigern. Zwar ist in dieser Patentschrift in Spalte 6, Zeilen 26 bis 29, angegeben, daß etwas Aluminium
noch in der zusammengesetzten Elektrode nach dem Auslaugen vorhanden sein kann, dabei wird jedoch vermutet,
daß die verbleibende Menge nicht wesentlich ist und daß das Aluminium nur in solchen Bereichen vorliegt, welche
durch die Auslauglösung nicht erreicht werden konnten..
In der Patentschrift wird kein Verfahren zur Herstellung
einer Edelmetall/Aluminium-Legierung auf einem Träger angegeben .
Es ist auch bekannt, daß einige Legierungen durch gemeinsame
Reduktion inniger Mischungen von reduzierbaren Metallrsalzen hergestellt werden können. Beispielsweise wird das
Verfahren zur gemeinsamen Reduktion von Metallsalzen in Gegenwart eines Trägermaterials dazu verwendet, eine auf
einem Träger befindliche feinteilige Platin/Eisen-Legierung herzustellen, wie dies in einem·Artikel von C. Bartholomew
und M. Boudart mit dem Titel "Preparation of a Well Dispersed Platinum Iron Alloy on Carbon", Journal of
Catalysis, Seiten Ί73 bis 176, Band 25, No. I, April 1972,
erklärt wird. Jedoch können Salze vieler Metalle durch dieses Verfahren nicht leicht reduziert werden. Solche
Metalle sind diejenigen, die die stabileren feuerfesten
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Oxide bilden, wie ζ. Β. Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium,
Niob, Tantal, Chrom, Molybdän,· Wolfram, Cer, Magnesium, Aluminium, Silicium und Calcium.
Es wurde auch beobachtet, daß Platin und andere Edelmetalle und Edelmetallegierungen in der Masse mit vielen
feuerfesten Metalloxiden bei hohen Temperaturen reagieren, wobei feste Lösungslegierungen oder intermetallische
Verbindungen gebildet werden. Es wurde weiterhin beobachtet,' daß diese Reaktionen durch die Anwesenheit
von'Reduktionsmitteln, wie z. B. Kohlenstoff, Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und gewisse organische Dämpfe, beschleunigt werden. Siehe Platinum Metais Review 20, Nr. 3,
Seite 79, Juli 1976.
in der US-PS 3 341 936 wird die Herstellung einer Legierung,
die ein "edleres und ein weniger edles Metall" ent-· hält, auf einer Elektrodenoberfläche beschrieben. Jedoch
wird das weniger edle Metall herausgelöst, "so daß nur das edlere Metall· auf dem Elektrodenkörper in einer feinzerteilten
Form zurückbleibt".(Spalte 2, Zeilen 29 bis 32). Zwar sind in dieser Patentschrift Verfahren zur Herstellung
von sowohl Brennstoffelektroden als auch Sauerstoffelektroden beschrieben, aber das Verfahren zur Herstellung
von Sauerstoffelektroden, das.in Spalte 2, Zeilen
bis 23, beschrieben ist, betrifft keinen Legierungskata-·· lysator. Die US-PS 3 380 934 ist ebenfalls nur auf Anoden
gerichtet. Außerdem ist sie der US-PS 3 341 936 insofern ähnlich, als das weniger edle Metall der Legierung herausgelaugt
wird (Spalte 2, Zeilen 24 bis 32). Die US-PS 3 340 097 ist auf dem Gebiet der Legierungskatalysatoren
von allgemeinem Interesse, sie bezieht sich aber nur auf Edelmetallegierungskatalysatoren, wie z. B. Platin/Zinn-
und Rhutenium-Katalysatoren.
Die GB-PS 1 074 862 bezieht sich auf eine trägerlose ternäre Edelmetallegierung, worin eines der Metalle in der Le-
Hi » tt .
gierung aus Chrom bestehen kann. .
Zwar lehrt die US-PS 4 127 468 eine Verbesserung der katalytischen
Elektrodeneigenschaften, die in einem Grundmetall vorliegen, oder die Erzielung solcher Eigenschaften
durch die Verwendung eines Legierungselements, es ist jedoch bemerkenswert, daß dabei einige Gruppen vermieden werden,
wie z. B. die Gruppe VIB des Periodensystems (d, h.. Cr, Mo, W) .
Die US-PS 3 615 836 bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung
der katalytischen Aktivität gewisser legierter und unlegierter Metallkatalysatoren für die Verwendung in
Brennstoffzellen. Jedoch ist die Lehre dieses Patents nur
auf Katalysatoren des Standes der Technik anwendbar, welche
Halogenidionen enthalten, die angeblich den Kataly- ·· sator vergiften,, wenn der Katalysator in einer Brennstoffzelle mit einem sauren Elektrolyt verwendet wird. Das Pa-"
teilt richtet sich auf die Entfernung oder Desorption dieser
Halogenidionen. Es ist die Desorption dieser Halogenidioaen,
die angeblich ©Inen wirksameren katalysator ergeben soll.' Zwar ist eine lange Liste von möglichen Legierungsmetallen
aufgeführt (siehe Spalte 2, Zeile 17), aber es wird von keiner Kombination berichtet, daß sie überlegen
"ist. ·
Zwar sind aus den US-PSen 4 186 110 und 4 192 907 Katalysatoren
aus Edelmetall/Grundmetall-Legierungen bekannt,
aber es wird keinem speziellen System eine besondere Überlegenheit
zugeschrieben. In der US-PS 4 202 934 wird von einer besonderen Überlegenheit eines Katalysators aus'eiher
Edelmetall/Grundmetall-Legierung berichtet, aber der Katalysator ist auf ein bestimmtes System beschränkt, nämlich
eine Edelmetall/Vanadium-Legierung. '
Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Katalysator
aus einer Edelmetall/Chrom-Legierung mit katalytischer
Aktivität für die Sauerstoffreduktion, die mindestens zweimal
so groß ist wie bei dem unlegierten Edelmetall*
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren für die katalytische Reduktion von Sauerstoff unter Verwendung
des oben beschriebenen Katalysators.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist eine elektrochemische Zelle/ welche den oben beschriebenen Katalysator
einschließt.
Wieder ein anderer Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, welche den oben beschriebenen Katalysator
enthält.
Die obigen und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und der"beigefügten
Zeichnung hervor.
Die Figur zeigt die Zellenspannungen als Funktion der Stromdichte für verschiedene Kathoden, die Legierungs- und Platinkatalysatoren"
aufweisen.
Wenn in der folgenden Diskussion der Erfindung und in den Patentansprüchen Vergleiche der katalytischen Aktivität
gemacht werden, dann sind damit Vergleiche der Massenaktivität beabsichtigt. Die Massenaktivität ist ein .
willkürlich definiertes Maß der Wirksamkeit eines Katalysators je Gewichtseinheit der katalytisch aktiven Komponente. Im Falle einer Brennstoffzelle mit Phosphorsäure
als Elektrolyt wird die Massenaktivität des Kathodenkataiysators in Milliampere/Milligramm (mA/mg) als der aufgrund
einer Sauerstoffreduktion bei 0,900 Volt maximal verfügbare Strom definiert, wobei das Potential im Verhältnis
zu einer unpolarisierten H2/Pt-Bezugselektrode bei der gleichen Temperatur und beim gleichen Druck sowie
'im gleichen Elektrolyt gemessen wird. Eine größere Massenaktivität
kann entweder durch Erhöhung der Oberfläche des
3Ί22786
Katalysators (ζ. B. durch Reduktion der Teilchengröße) oder durch Erhöhung seiner spezifischen Aktivität er- .
reicht werden. Die spezifische Aktivität wird als der O^-Reduktionsstrom, wie er oben spezifiziert ist, definiert,
der je Einheitsoberfläche des Edelmetalls verfügbar ist (d. h. μΑ/cm2). Die größere Massenaktivität
der Legierung der vorliegenden Erfindung im Vergleich
zur Massenaktivität von sowohl unlegierten Edelmetallen und den besten bisher bekannten Legierungen, beispielsweise
der Vanadium/Edelmetall-Legierung der US-PS 4 202 934, wird durch eine Verbesserung der spezifischen Aktivität
des katalytischen Materials im Vergleich zur spezifischen Aktivität des unlegierten Edelmetalls oder der Vanadium/
Edelmetall-Legierung erreicht.
Das grundlegende Verfahren zur Herstellung des Edelmetall/
Chrom-Katalysators der vorliegenden Erfindung, welches · . auch zur Herstellung anderer legierter Katalysatoren, die
in der Tabelle angegeben sind, verwendet werden kann, besteht darin, daß man chromhaltige Moleküle, vorzugsweise
in der Anionenform, auf dem Edelmetallträgerkatalysator absorbiert/und daß man hierauf den mit Chrom imprägnierten
Katalysator in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt, um die Legierungsbildung zu fördern. Das bevorzugte Anion,
welches im Beispiel genannt wird, ist das Chromat, und-für
die anderen Legierungen der Tabelle ist es das Vanadat-, Manganat-, Molybdat- bzw. Wolframatanion.
Legierungs- CL-Äktivität bei 0,9 V - H^/Luft,Verhalten ohne
katalysator mA/mg Pt innerem Widerstand, ·
. ' . . 1900C, 21,5 A/dma
Pt- Cr ■ 43 · 735
Pt-V 39 720
Pt-Mn 35 718
Pt-Mo 32 708
Pt-W . 31 ' 702
Pt 20 · 680
Das Verfahren ist genauso gut zur Herstellung von trägerlosen als auch von auf Trägern befindlichen Legierungen
brauchbar. Da'jedoch feinverteilte trägerlose Edelmetalle im allgemeinen auf weniger als· 50 m2 /g Edelmetall
beschränkt sind, wird dieses Verfahren am besten praktiziert unter' Verwendung von auf einem Träger befindlichen
feinverteilten Edelmetallenj welche mit Oberflächen von im allgemeinen mehr als 100 m2/g Edelmetall hergestellt
werden können. In jedem Fall ist das neue Produkt des vorliegenden Verfahrens eine trägerlose oder auf
einem Träger befindliche feinteilige Legierung aus einem Edelmetall und aus Chrom mit einer wesentlich verbesserten
katalytischen Gesamtaktivität im Verhältnis zu einem trägerlosen oder auf einem Träger befindlichen unlegierten
Edelmetall. Bevorzugte erfindungsgemäße Legierungen besitzen Oberflächen von mehr als 30 m2/g Edelmetall.
Die am meisten bevorzugten Legierungen besitzen Oberflächen von· mehr als 50 m2/g Edelmetall. Platin ist das bevorzugte
Edelmetall, wenn die Legierung als Katalysator in Phosphorsäurebrennstoffzellen verwendet werden soll.
Ein Katalysator aus einer Platin/Chrom-Legierung mit hoher Oberfläche, der sich auf Kohlenstoff als Träger befand,
wurde in der folgenden Weise hergestellt: 20 g eines graphitisieren Rußes, auf .dem Platin (10 Gew.-% Platin)
niedergeschlagen war, wurden in 1000 ml Wasser dispergiert und dann unter Zuhilfenahme von Ultraschall 15
min gemischt. Per pH der Lösung wurde dann mit verdünnter Ammoniumhydroxidlösung auf 8 angehoben, um die natürliche
Azidität des Trägerkatalysators zu neutralisieren. Das Rühren wurde während der pH-Einstellung und auch anschließend
noch fortgesetzt. Eine Lösung von 12 g Ammoniumchromat
in 100 ml Wasser wurde dann zu der hinsieht-
--43-
lieh des pH-Wertes eingestellten Lösung zugegeben. Im Anschluß zu der gesamten Zugabe der 100 ml Lösung wurde verdünnte
Salzsäure der Lösung zugesetzt, bis der pH 5,5 betrug, um die Absorption der chromhaltigen Moleküle auf dem
Trägerkatalysator zu veranlassen. Das Rühren wurde 1 h fortgesetzt. Nach dem Abfiltrieren wurden die Peststoff bei
9O0C getrocknet und durch ein Sieb der Maschenweite 0,147 mm
hindurchgeführt. Der ausgesiebte Peststoff wurde dann in
• fließendem Stickstoff 1 h bei 9270G wärmebehandelt, um den
aus einer Platin/Chrom-Legierung bestehenden Katalysator
herzustellen. Es wird darauf hingewiesen, daß in diesem Beispiel graphitisiertes Vulcan XC-72 (Cabot Corporation) .
verwendet wurde, daß aber andere Kohlenstoffe in graphitisierter
oder ungraphitisierter Form oder Acetylenruß eben-, falls als Trägermaterial verwendet wurden.
Es ist zwar schwierig, die genaue Menge Chrom im verbesserten
Legierungskatalysator zu messen, und zwar wegen der geringen Größe der Legierungsteilchen, aber aufgrund von
Röntgenstrahlenbeugung am hergestellten Katalysator wurde geschlossen, daß die verbesserten Resultate des erfindungsgemäßen
Katalysators mit bis zu ungefähr. 30 Atomprozent Chrom und vorzugsweise ungefähr 25 Atomprözent Chrom in
der Legierung erreicht werden können.
Um die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Katalysatoren
aus einer Edelmetall/Chrom-Legierung zu demonstrieren, wurde eine Reihe von Vergleichsversuchen durchgeführt,
wie dies in der Tabelle angegeben ist. Verschiedene einzelne Chargen.eines jeden Katalysators wurden hergestellt.
Aus jeder Katalysatorcharge wurden Kathoden hergestellt und in einer Laborbrennstoffzelle der Größe 2,54 χ 2,54 cm
getestet. Die Zellen wurden betrieben, und die Spannungen wurden bei einer Zellenstromdichte von 21,5 A/dm2 gemessen.
Der Durchschnitt der festen gemessenen Betriebsergebnisse eines jeden Katalysators in wiederholten Versuchen
ist in der Tabelle angegeben. Es ist klar aus der
Tabelle ersichtlich, daß die Edelmetall/Chrom-Legierung
eine katalytische Aktivität aufweist, die weit besser ist als diejenige jeder anderen getesteten Legierung. Insbesondere
ist sie zweimal besser als diejenige eines unlegierten Edelmetallkatalysators selbst. Alle Elektroden
enthielten die gleiche Platinbeladung, d. h. 1/2 mg Pt/cm2.
Das Katalysatorverhalten wurde bei Standardbedingungen für jeden Katalysator untersucht, d. h. bei einer Zellenstromdichte
"von 21,5 A/dm2, in einem aus 99 %iger Phosphorsäure
bestehenden Elektrolyt, bei einer Zellentemperatur von 1900C, mit Wasserstoffgas/Luft als reagierenden
Gasen bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, d. h. bei einer niedrigen Sauerstoffausnutzung, wobei die Spannungen
bei den gegebenen Strömen korrigiert wurden, um innere Zellenwiderstände zu eliminieren. Die Katalysatoren wurden
durch Verfahren hergestellt, welche das beste Katho- . denverhalten für eine jede einzelne Legierung ergaben,
beispielsweise wie es im obigen Beispiel und in den üS-PSen 4 186 110, 4 192 907 und 4 202 934, deren Angaben in die
vorliegende Anmeldung eingeschlossen sein sollen, beschrieben ist.
Die Figur zeigt graphisch die Zellenspannungen als Punktion der· Stromdichte für verschiedene katalytische Materialien.
In der graphischen Darstellung bezieht sich A auf einen Katalysator aus einer Pt/Cr-Legierung, B auf einen Katalysator aus einer Pt/V-Legierung, C auf einen Katalysator
aus einer Pt/Mn-Legierung, D auf einen Katalysator aus ■ ■
einer Pt/Mo-Legierung, E auf einen Katalysator aus einer Pt/W-Legierung und F auf einen unlegierten Pt-Kataiysator.
Die Legierten Katalysatoren wurden durch das hier beschriebene Verfahren hergestellt, und die.Daten wurden unter
Verwendung der Standardtestbedingungen ermittelt, wie es für die Erzielung der Daten der Tabelle weiter oben beschrieben
wurde. Es ist aus der graphischen Darstellung ersichtlich, daß die aus Zellen mit dem Pt/Cr-Katalysator
erhältlichen Spannungen klar höher sind als die Spannungen,
- 4b-
die mit Zellen erhalten werden, welche irgendeine der anderen
Legierungen öder unlegiertes Pt erhalten. Dies gilt über den gesamten Bereich von Stromdichten.
Die Verhaltensvorteile des Pt/Cr-Katalysators gegenüber
dem Pt/V-Katalysator sind anscheinend verhältnismäßig klein - nur 15 mV bei 21,5 A/dma (s. die Tabelle). Vom
Standpunkt der Energieumwandlung besitzt dieser unterschied jedoch beträchtliche praktische Bedeutung, die besser
eingeschätzt werden kann, wenn man nicht nur die Zunahme der Spannung bei einer festen Stromdichte, sondern
auch die erhöhte Stromdichte, die bei einer festen Spannung erhalten wird, in Rechnung stellt. So ergibt eine
Brennstoffzelle mit einem Pt/V-Katalysator als Anode
12,7 A/dm2 bei,0,75 V, während eine identische Zelle mit
einem Pt/Cr-Katalysator als Kathode 15,7 A/dm2 bei der
gleichen Spannung liefert (s. die Figur). Da die Span-, nung einer Zelle ein Maß ihrer Effizienz ist, arbeitet
die Zelle mit der Kathode aus der Pt/Cr-Legierung bei einer 20 % höheren Energiedichte als eine Zelle mit einer Kathode
aus einer Pt/V-Legierung bei der gleichen Effizienz.
Bei einem längeren Betrieb von Phosphorsäurebrennstoff-^
zellen hat es sich außerdem ganz überraschend erwiesen,
daß die erfindungsgemäß verwendete Platin/Chrom-Legierung
eine wesentlich längere Stabilität in dieser aggressiven Umgebung aufweist als andere getestete Legierungen,, wie
z. B.. die Platin/Vanadium-Legierung. Bei einem beschleunigten
Katalysatorkorrosionstest zur Bestimmung der relativen
Stabilität von Legierungskatalysatoren in einer korrosiven Umgebung (vom Typ der Brennstoffzelle) /legierte Pt/V-
und Pt/Cr-Katalysatoren beispielsweise in eine mit
Luft gesättigte 99 %ige Schwefelsäure mit 1770C eingetaucht.
Bei diesem Test nahm der Katalysator ein elektrochemisches Potential von ungefähr 0,9 V in bezug auf eine
Wasserstoffbezugselektrode an. Nach 48 h waren 67,5 Gew.-% des Vanadiums aus dem mit Vanadium legierten Katalysator
■46-
herausgelöst, während das Chrom aus dem mit Chrom legierten Katalysator nur zu 37,5 % herausgelöst wurde.
Die erfindungsgemäßen legierten Katalysatoren können nicht
nur als Katalysatoren in Brennstoffzellenelektroden Verwendung finden, sondern auch als Katalysatoren auf dem
Gebiete der Chemie, der Pharmazie und der. Automobiltechnik sowie, auf dem Gebiete der Reinerhaltung der Umwelt.
Die erfindungsgemäßen legierten Katalysatoren besitzen besondere
Anwendung als Elektrokatalysatoren für die Reduktion von Sauerstoff. Diese Aktivität macht diese Katalysatoren
besonders geeignet in sauren Brennstoffzellen. Wie jedoch bereits festgestellt, ist ihre Verwendung
nicht auf Brennstoffzellen beschränkt. Sie können in jeder
Umgebung verwendet werden, wo eine elektrochemische Sauerstoff reduktion als Teil des Verfahrens stattfindet, beispielsweise
in einer Metall/Luft-Batterie.
Zwar wurde die Erfindung unter besonderer Berücksichtigung spezieller Ausführungsformen beschrieben, es- wird jedoch
darauf hingewiesen, daß verschiedene Änderungen und Weglassungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne
daß vom Bereich der Erfindung abgewichen wird.
Claims (17)
1. Katalysator aus einer Edelmetall/Grundmetall-Legierung
für die Verwendung bei der katalytischen Reduktion von Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall·
der Legierung aus Chrom besteht, wodurch ein Katalysator aus einer Ede!metall/Chrom-Legierung entsteht, dessen
katalytische Sauerstoffreduktionsaktivität mindestens zweimal so groß ist wie diejenige des unlegierten Edelmetalls.
· .
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Edelmetall aus Platin besteht.
3. Katalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,.daß
- er bis zu ungefähr 30 Atomprozent Chrom enthält.
4. Katalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
er ungefähr 25 Atomprozent Chrom enthält.
5. Verfahren, bei dem eine katalytische Reduktion von Sauerstoff stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff
unter Verwendung eines Katalysators katalytisch reduziert wird, der aus- einer Edelmetall/Chrom-Legierung besteht,
wobei die Legierung eine katalytische Aktivität für. die Reduktion von.Sauerstoff aufweist, die mindestens zweimal
so groß ist wie diejenige des Edelmetalls in unlegierter Form. ·
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,' daß
die Oberfläche der Legierung mindestens 30 m2/g des Edelmetalls
in der Legierung beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung sich auf einem Träger befindet.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Edelmetall aus Platin besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8; dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierung sich auf einem Kohlenstoffträger befindet.
10. Elektrochemische Zelle mit einer Kathode, die eine Edelmetall/Grundmetall-Legierung
als Sauerstoffreduktionskata- ■ lysator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator
aus einer Edelmetall/Chrom-Legierung mit einer katalytischen Aktivität für die Reduktion von Sauerstoff besteht,
die mindestens zweimal so groß ist wie diejenige des Edelmetalls in.unlegierter Form.
11. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall aus Platin besteht.
12. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Legierung auf leitende Trägerteilchen aufgebracht ist.
13. Zelle■nach'Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche der Trägerlegierung mindestens 30 m2/g Edelmetall
in der Legierung beträgt.
14. Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall aus Platin und die Trägerteilchen aus Kohlenstoff
bestehen.
15. Saure Brennstoffzelle mit einem PhosphorsäureelektroIyten
und einer Kathode, wobei diese Kathode ein elektrisch leitendes Substrat und eine Schicht aus einem auf dem Substrat
aufgebrachten Katalysator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus einer Edelmetall/Chrom-Legierung
besteht, die auf■Kohlenstoffteilchen-als Träger
aufgebracht ist, wobei die Legierung eine katalytische Aktivität für die Reduktion von Sauerstoff aufweist, die
mindestens zweimal so groß ist wie die des auf einem Träger befindlichen Edelmetalls in unlegierter Form, wobei
• die Oberfläche mindestens 30 m2/g Edelmetall in der Legierung
beträgt.
16. Brennstoffzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Edelmetall aus Platin besteht.
17.. Brennstoffzelle mit einer Anode, die im Abstand von einer Kathode angeordnet ist und die dazwischen einen
Elektrolyt aufweist, wobei die Elektrode einen feinteiligen Katalysator, der gleichmäßig auf leitende
Kohlenstoffträgerteilchen aufgebracht ist, enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus einer Platin/Chrom-Legierung mit einer k,atalytischen Aktivi-•
tat für die Reduktion von Sauerstoff besteht, die min-. destens zweimal so groß ist wie die katalytische Aktivität
des auf einem Träger befindlichen Platins in unlegierter Form, wobei die Oberfläche mindestens 30 m2/g
Platin in der Legierung beträgt.
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