EP1579524A2 - Katalysatorhaltiges gasverteilersubstrat für brennstoffzellen sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Katalysatorhaltiges gasverteilersubstrat für brennstoffzellen sowie verfahren zu dessen herstellung

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EP1579524A2
EP1579524A2 EP03789404A EP03789404A EP1579524A2 EP 1579524 A2 EP1579524 A2 EP 1579524A2 EP 03789404 A EP03789404 A EP 03789404A EP 03789404 A EP03789404 A EP 03789404A EP 1579524 A2 EP1579524 A2 EP 1579524A2
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EP
European Patent Office
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catalyst
containing gas
gas distributor
diffusion layer
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03789404A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Ruth
Andreas Schleunung
Karl-Anton Starz
Marco Lopez
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Umicore AG and Co KG
Original Assignee
Umicore AG and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1579524A2 publication Critical patent/EP1579524A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a catalyst-containing gas distributor substrate for " fuel cells, in particular low-temperature fuel cells (such as PEMFC or DMFC), which have an ion-conducting polymer as the electrolyte.
  • the gas distributor substrate is used on the anode side of the fuel cell and contains catalyst components which remove or remove carbon monoxide (CO), for example
  • CO carbon monoxide
  • a product can be used in membrane electrode assemblies (MEEs) for low-temperature fuel cells, for example PEM fuel cells, which are operated with CO-containing reformate gas but can also be used for direct methanol fuel cells (DMFC).
  • MEEs membrane electrode assemblies
  • Fuel cells convert a fuel and an oxidizing agent locally separated from each other on two electrodes into electricity, heat and water. Hydrogen, methanol or a hydrogen-rich gas can be used as fuel, oxygen or air as oxidizing agent.
  • the process of energy conversion in the fuel cell is characterized by a high level of pollution-free and particularly high efficiency. For this reason, fuel cells are becoming increasingly important for alternative drive concepts, home energy supply systems and portable applications.
  • the membrane fuel cells for example the polymer electrolyte fuel cell (English: PEMFC) and the Direlrt methanol fuel cell (English: DMFC), are suitable for many mobile and stationary applications due to their low operating temperatures, their compact design and their power density.
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • DMFC Direlrt methanol fuel cell
  • PEM fuel cells are constructed in a stacked arrangement ("stack") from many fuel cell units. These are electrically connected in series to increase the operating voltage.
  • Each fuel cell unit contains a 5-layer membrane electrode unit ("MEE") which is between bipolar plates, also called separator plates, is arranged for gas supply and power conduction.
  • MEE 5-layer membrane electrode unit
  • Such a 5- Layered membrane electrode unit is in turn constructed from a polymer electrolyte membrane, which is provided with an electrode layer on each side (3-layer, catalyst-coated membrane, CCM).
  • One of the electrode layers is designed as an anode for the oxidation of hydrogen and the second electrode layer as a cathode for the reduction of oxygen.
  • the polymer electrolyte membrane consists of proton-conducting polymers.
  • the anode and cathode of the CCM contain electrocatalysts that catalytically support the respective reaction (oxidation of hydrogen or reduction of oxygen).
  • the metals of the platinum group of the periodic table of the elements are preferably used as catalytically active components. So-called supported catalysts are used in the majority.
  • gas diffusion layers So-called gas diffusion layers (GDLs or "backings") are then attached to the two sides of the CCM, so that the five-layer membrane electrode assembly is thereby obtained.
  • the gas distributor substrates usually consist of carbon fiber paper or carbon fiber fabric and enable one good access of the reaction gases to the reaction layers and good drainage of the cell flow and the water that forms.
  • Typical hydrogen-containing fuel gases which are generated by reforming hydrocarbons such as natural gas, methane, petroleum, gasoline or alcohols, contain up to 2-3 vol.% Carbon monoxide (CO) depending on the cleaning process.
  • CO Carbon monoxide
  • the carbon monoxide components in turn poison the Pt or PtRu anode catalyst and thus lead to one
  • EP 0 736 921 B1 describes an electrode which contains two different catalytic components.
  • the first catalytic component is active for gas phase reaction sites, while the second catalytic component is active at electrochemical reaction sites.
  • Both catalytic components are applied to the gas distributor substrate as a double layer (“bi-layer”) and are in mutual relationship
  • WO 00/36679 describes a gas distribution substrate (“backing”) for a PEM anode
  • Gas phase active catalyst and electrocatalyst are both formed as thin layers and as such are not
  • EP 0 985 241 describes an integral PEM fuel cell stack which has an anode which is designed as a three-layer anode. This has a CO oxidation-selective catalyst layer on the side facing away from the membrane and an electrochemically active layer on the side facing the membrane.
  • a low-temperature (PEM) fuel cell which likewise contains a gas diffusion layer with a CO oxidation catalyst.
  • the CO oxidation catalyst is in a mixture of conductive material (eg carbon black) and water-repellent material (eg PTFE) processed into a porous film and applied to the gas diffusion layer.
  • the residence time of the CO-containing fuel gas on the catalyst material is reduced. This leads to only a partial conversion and thus to incomplete CO oxidation.
  • the gas-phase-active catalysts are used in the form of prefabricated supported catalysts (for example Ru on carbon black, Pt on aluminum oxide) and then processed further in a mixture with carbon black, Teflon and possibly other components. In many cases, the active catalyst surface is blocked by these additional components. This means that the active catalyst surface is not used optimally, which in turn means that the last residues of CO (e.g. fractions below 100 ppm) are not removed. This means that CO poisoning of the electrocatalysts continues to take place on the anode of the fuel cell stack.
  • the invention relates to a catalyst-containing gas diffusion layer for
  • the catalyst-containing gas distributor substrate in the catalyst-containing gas distributor substrate according to the invention, a good utilization of the catalyst or the catalyst surface 0 and thus a high activity and selectivity in the removal of carbon monoxide (either by CO oxidation or by methanization) and in the oxidation of methanol (in the DMFC). Furthermore, the method according to the invention for producing such gas distributor substrates is characterized by a low level of complexity. It is practical and can be easily integrated into a continuous manufacturing process, which 5 reduces manufacturing costs.
  • the catalyst-containing gas diffusion layer according to the invention contains a catalytically active component; which is evenly distributed over the entire volume of the gas distributor substrate. It can be generated in a process in which precursors are soluble like water
  • a gas diffusion layer is impregnated or impregnated with an aqueous solution of a precursor (e.g. with an easily decomposable metal compound). This potion process can
  • the gas diffusion layer is placed in a tub that contains a solution of the metal compound, then removed and dried. The process is
  • occupancy quantities are in
  • the catalyst component is uniformly distributed over the entire volume of the substrate and preferably the catalytically active particles are fixed on the support material. This ensures optimal distribution of the particles in the substrate as well as very good accessibility of the reactants
  • the impregnation or impregnation process can be carried out continuously in suitable devices, for example from roll to roll.
  • the gas distribution substrate can be used as an endless, flexible belt and can be guided through various stations, consisting, for example, of hydrophobization, impregnation / impregnation with precursor solution, drying, coating with a compensating layer and tempering.
  • the impregnation or impregnation with the precursor compound can thus be easily incorporated into a continuous manufacturing process for gas distributor substrates. It causes low additional costs, but at the same time leads to a higher quality product.
  • the tempering that can be used to decompose the precursors and at which the
  • 35 catalyst particles are formed, one usually leads at temperatures from 200 to
  • 900 ° C preferably 200 to 600 ° C through. It can be in an air atmosphere, but also under Shielding gas (for example nitrogen, argon or mixtures thereof) or reducing gases (for example nitrogen / hydrogen mixtures or forming gas).
  • Shielding gas for example nitrogen, argon or mixtures thereof
  • reducing gases for example nitrogen / hydrogen mixtures or forming gas.
  • Continuous belt furnaces, muffle furnaces, chamber furnaces and combinations thereof can be used.
  • Ru, PfRu or Pt alloys with base metals are preferred.
  • Gold-containing catalysts such as Au, Au / titanium oxide or .Au / iron oxide can also be used.
  • Supported silver-containing catalysts for example Ag / titanium oxide can also be used.
  • For the methanation of CO according to Eq. (2) are suitable, for example, catalysts based on nickel and / or ruthenium.
  • the operating temperatures of the cell should preferably be slightly above the normal temperatures of the PEM fuel cell when using gas distribution substrates with a methanation catalyst. At operating temperatures of over 90 ° C, an increase in the methanation activity of the catalyst is achieved and, at the same time, the CO poisoning of the Pt-containing anode catalyst is suppressed.
  • the precursors for the catalytically active components are water-soluble, easily decomposable metal compounds, preferably compounds from the group of amine nitrates, nitrates, carbonates, carboxylates, hydrooxycarboxylates, acetates, lactates, butanoates, oxalates, formates, octanoates, or ethylhexanoates, which are used in the Decompose the desired catalyst particles.
  • Preferred catalytic articles include metals, in particular noble metals such as Pt, Pd, Ru. Rh, Au, Ag, Ir, Os. and / or their oxides, and / or their mixtures or alloys with base metals, but also base metals such as Ti, Fe. Co, Mn, Cr or Ni. Corrosion greens are used to avoid halogen- or chlorine-containing precursors if possible.
  • organometallic complexes of the metals, so-called resinates can also be used, for example.
  • Suitable noble metal compounds are the Pt precursors platinum (II) nitrate, platinum (II) lactate, platinum (II) amine nitrate, ethylammonium platinum hexahydrate, platinum acetate etc.
  • suitable Ru precursors are ruthenium (III) nitrosyl nitrate or ruthenium (III) acetate.
  • Au-containing precursors are gold resinates such as Au polymer esters (from FERRO GmbH, Frankfurt) or gold-containing complex salts. Analog complexes of the other noble metals can of course also be used.
  • Precursors for base metals that can be used alone or in combination with the noble metal precursors are, for example, cobalt (II) nitrate, manganese (II) oxalate, chromium (III) nitrate, nickel (II) nitrate, iron (II) -carbonate and comparable compounds other elements such as the base metals listed above.
  • cobalt (II) nitrate manganese (II) oxalate
  • chromium (III) nitrate chromium
  • nickel (II) nitrate nickel
  • iron (II) -carbonate iron
  • halogen-containing precursors are avoided for reasons of corrosion.
  • additional components can be added to the noble metal and base metal precursors described, which act as cocatalysts, as support materials or as precursors thereof.
  • these are high-surface precious metal tubes, fine metal powders, carbon blacks, pyrogenic oxides such as, for example, silica (“Aerosil” from Degussa), pyrogenic titanium oxides and comparable materials.
  • pyrogenic oxides such as, for example, silica (“Aerosil” from Degussa)
  • pyrogenic titanium oxides such as, for example, silica (“Aerosil” from Degussa)
  • other inorganic components that can be converted into oxidic materials during pyrolysis or temperature treatment Examples of these are organic silicon esters, organosilanes, organotitanates, organostannates, aluminates, borates and similar compounds.
  • the precursor compounds are processed into a preparation that is suitable for the respective application process on the gas distributor substrate.
  • a correspondingly low-viscosity solution is produced for the application in the immersion or impregnation process.
  • This can contain auxiliaries such as surfactants, wetting agents, binders, thickeners, anti-settling agents or organic solvents to improve the processing properties.
  • auxiliaries such as surfactants, wetting agents, binders, thickeners, anti-settling agents or organic solvents to improve the processing properties.
  • the viscosity of the solutions is modified accordingly. Means and ways of doing this are known to the skilled worker.
  • Porous carbon fiber substrates can be used as starting materials for the production of the catalyst-containing gas diffusion layer according to the invention.
  • Porous carbon fiber substrates carbon fiber paper or carbon fiber fabric
  • These materials usually have a porosity of 60 to 90% and an average pore diameter of 20 to 50 ⁇ m.
  • substrate materials that differ in structure, manufacturing process and properties. Examples of such porous materials are Toray paper,
  • metal mesh fine, is also used as the starting material for gas distributor substrates
  • Metal nets conductive coated plastic fabrics, conductive coated textile fabrics, coated glass fibers and similar materials can be used. Basically, they can
  • the catalyst-containing gas diffusion layer according to the invention can be with or without
  • Equalization layer must be equipped.
  • a layer on that side of the gas distributor substrate is used as a compensating layer (so-called “microlayer”) understood, which is in contact with the electrode layer in the fuel cell.
  • the leveling layer usually contains a mixture of a hydrophobic polymer such as PTFE and finely divided carbon blacks.
  • the compensation layer is usually applied by screen printing, its thickness is, for example, from 5 to 100 ⁇ m.
  • a complete membrane electrode assembly (“MEE") of a PEM or DMFC fuel cell contains a catalyst-coated polymer electrolyte membrane (“CCM”) with gas distributor substrates attached on both sides.
  • the gas distributor substrate according to the invention is preferably used on the anode side of the membrane electrode unit.
  • the membrane electrode assemblies thus produced can be used as fuel gas due to the improved tolerance to carbon monoxide for the use of CO-containing hydrogen mixtures.
  • Such fuel gases are often produced by reforming hydrocarbons such as natural gas, methane or gasoline and are used in the stationary use of the fuel cell.
  • the catalyst-containing gas diffusion layer according to the invention can also be used in MEEs for direct methanol fuel cells (DMFC).
  • DMFC direct methanol fuel cells
  • it causes better oxidation of the methanol on the anode side and improves the performance of the DMFC cell.
  • Figure 1 Schematic representation of the inventive kata 'lysator inconveniencen gas diffusion layer with compensation layer
  • Figure 1 shows a schematic cross section through an inventive catalyst-containing gas diffusion layer.
  • (11) denotes the porous substrate material.
  • the catalyst particles (12) are fixed to the surface of the substrate and are evenly distributed over the entire volume of the substrate. They are therefore optimally accessible, for example for a fuel gas contaminated with CO.
  • Figure 2 Complete 5-layer membrane electrode assembly with a catalyst-containing gas distribution substrate according to the invention on the anode side.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a complete 5-layer MEU with a gas distributor substrate (21) according to the invention containing catalyst particles (22) on the anode side.
  • the gas distributor substrate (21) is in contact with a three-layer catalyst-coated ionomer membrane, consisting of an anode catalyst layer (23a), Ionomer membrane (23) and cathode catalyst layer (23b).
  • An uncatalyzed gas diffusion layer (24) is attached to the cathode side.
  • the two gas distributor substrates do not have a compensation layer.
  • a hy 'drophobiertes Kohlefase ⁇ apier serves the area as a starting material 50 cm 2 (dimensions of about 7x7 cm) with a thickness of 200 microns (Sigracet 10, Fa. SGL Carbon).
  • the Teflon content is approx. 8% by weight.
  • the substrate is immersed in a large dish with ruthenium (III) acetate solution (5% by weight Ru in water, OMG, Hanau). After complete wetting, the substrate is removed from the immersion bath using tweezers. It is allowed to drain for a short time and then dried in a drying cabinet at 100 ° C. for 15 minutes.
  • the mixture is then allowed to cool and the amount of Ru acetate absorbed is determined gravimetrically.
  • the dipping process is repeated three times until a loading of 0.85 mg -Ru acetate / cm 2 is obtained.
  • the gas distributor substrate is then tempered for 30 minutes in an oven at 200 ° C. under forming gas (95% by volume nitrogen, 5% by volume hydrogen). After the substrate has cooled, the Ru content of the substrate is 0.48 mg Ru / cm 2 .
  • the Ru particles are evenly distributed in the substrate and fixed on the substrate surface. They have an average particle size of 5 nm, measured by means of transmission electron spectroscopy (TEM).
  • a leveling layer made of carbon black / PFTE is applied by screen printing, dried and annealed at 390 ° C. for 10 minutes.
  • the layer thickness of the compensation layer is approx. 20 ⁇ m.
  • the substrate is combined as a pre-anode with a catalyst-coated membrane (CCM) and combined to form a membrane electrode assembly (MEE).
  • CCM catalyst-coated membrane
  • MEE membrane electrode assembly
  • a CC-coated membrane of type 6 C is used as CCM (loading anode 0.2 mg Pt / cm 2 ; loading cathode 0.4 mg Pt / cm 2 , membrane EW 1100 with 50 micron thickness, from OMG, Hanau).
  • a hydrophobized carbon fiber paper with a compensating layer (standard, from SGL, type Sigracet 10) is used on the cathode side.
  • the MEE is tested in a PEM fuel cell in hydrogen / air and reformate / air operation and shows very good results, especially in reformate / air operation with a content of 100 ppm CO (see Table 1).
  • the tolerance towards CO is significantly improved. This shows that the catalyst-containing gas diffusion layer according to the invention has a very good effectiveness.
  • a hydrophobicized carbon fiber paper with an area of 50 cm 2 (dimensions approx. 7x7 cm) and a thickness of 200 ⁇ m (Sigracet 10, SGL Carbon) is used as the starting material.
  • the Teflon content is approx. 8% by weight.
  • the impregnation with precursor solution is carried out as described in Example 1.
  • the dipping process is repeated twice until a loading of 0.5 mg Ru acetate / cm 2 is obtained.
  • the gas distributor substrate is then tempered for 30 minutes in an oven at 250 ° C. under forming gas (95% by volume nitrogen, 5% by volume hydrogen). After the substrate has cooled, the Ru content of the substrate is 0.28 mg Ru / cm 2 .
  • the Ru particles are evenly distributed in the substrate and fixed on the substrate surface. They have an average particle size of 4 nm (measured with TEM).
  • the substrate is combined as a pre-anode with a catalyst-coated membrane (CCM) and, as described in Example 1, combined to form a membrane electrode unit (MEE).
  • CCM catalyst-coated membrane
  • MEE membrane electrode unit
  • This example describes the production of an Au / Ti0 2 -containing gas distribution substrate without a compensation layer.
  • a hydrophobized carbon fiber paper with an area of 50 cm 2 (dimensions approx. 7x7 cm) and a thickness of 200 ⁇ m (Sigracet 10, SGL Carbon) is again used as the starting material.
  • the Teflon content is approx. 8% by weight.
  • a water-containing precursor solution is produced containing Au polymer ester HF 3401 (from FERRO, Frankfurt) and titanium oxide (type P25, from Degussa, Frankfurt).
  • the Au content of the solution is 5% by weight of Au, the proportion of titanium oxide is 0.1% by weight.
  • the impregnation is carried out as described in Example 1. The diving process is repeated three times.
  • the gas distributor substrate is annealed for 30 min in an oven at 250 ° C. under forming gas.
  • the Au content of the substrate is approximately 0.1 mg Au / cm 2 .
  • the Au particles are evenly distributed in the substrate in combination with the titanium oxide.
  • the substrate is combined as a pre-anode with a catalyst-coated membrane (CCM) and joined to form a membrane electrode assembly (MEE) 5.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • MEE membrane electrode assembly
  • a hydrophobicized carbon fiber paper with an area of 50 cm 2 (dimensions approx. 7x7 cm) and a thickness of 200 ⁇ m (Sigracet 10, SGL Carbon) is used as the starting material.
  • the Teflon content is approx. 8 " % by weight.
  • the catalyst-free substrate is added
  • a hydrophobicized carbon fiber paper with an area of 50 cm 2 (dimensions approx. 7x7 cm) and a thickness of 200 ⁇ m (Sigracet 10, SGL Carbon) is used as the starting material.
  • the Teflon content is approx. 8% by weight. After the weight has been determined using a laboratory balance, the substrate is placed in a large bowl with 6 parts of ruthenium (III) acetate.
  • the Ru content of the substrate is approximately 0.65 mg Ru / cm 2 and the platinum content is approximately 0.35 mg Pt / cm 2 .
  • the Pt and Ru particles are evenly distributed over the entire volume of the substrate.
  • the substrate is combined as a pre-anode with a catalyst-coated membrane (CCM, type R22 anode loading 0.3 mg Pt / cm 2 and 0.15 mg Ru / cm 2 , cathode loading 0.4 mg Pt / cm 2 ; OMG, Hanau) and, as described in Example 1, combined to form a membrane electrode assembly (MEE).
  • CCM catalyst-coated membrane
  • MEE membrane electrode assembly
  • This is installed in a " Direlct-methanol fuel cell (DMFC) with an active cell area of 50 cm 2.
  • DMFC Direlct-methanol fuel cell
  • a 2-molar methanol / water solution is used for the measurement, the cell temperature is 60 ° C. Air in the A very high power density (peak power density) of over 80
  • a fuel gas mixture of 60% by volume H 2 , 15% by volume N 2 and 25% by volume C0 2 is used as the anode gas.
  • 100 ppm CO with an "airbleed" of 1% by volume or 3% by volume of air is added to the fuel gas.
  • This fuel gas mixture simulates a reformate gas which can be obtained by reforming methane or hydrocarbons by means of steam reforming and subsequent purification stages Air is used as the cathode gas.
  • the cell temperature is 75 ° C.
  • the pressure of the working gases is 3 bar (absolute).
  • the stoichiometry of the gases is 1.5 (anode gas) and 2.0 (cathode gas).
  • the MEEs are in a cell with 50 cm 2 of active area according to OMG standard conditions
  • Table 1 The results for Examples 1, 2 and 3 and for Comparative Example VB 1 are summarized in Table 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für Brennstoffzellen, insbesondere Niedertemperatur-Brennstoffzellen, wie PEMFC und DMFC. Das Gasverteilersubstrat wird auf der Anodenseite der Brennstoffzelle eingesetzt und enthält Katalysatorkomponenten, die eine Entfernung von Kohlenmonoxid (in der PEMFC) beziehungsweise eine Oxidation von Methanol (in der DMFC) bewirken. Die Katalysatorkomponenten werden aus geeigneten Precursorverbindungen direkt im porösen Substratmaterial durch Temperaturbehandlung erzeugt und sind gleichmässig über das gesamte Volumen des Gasverteilersubstrates verteilt. Die Katalysatorkomponenten weisen dadurch eine besonders hohe Aktivität auf. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrates beschrieben. Die Gasverteilersubstrat finden Verwendung in Membran-Elektroden-Einheiten (MEEs) für Niedertemperatur-Brennstoffzellen, insbesondere für PEM-Brennstoffzellen, die mit CO-haltigem Reformatgas betrieben werden. Sie können weiterhin in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) eingesetzt werden.

Description

Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für Brennstoffzellen sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für " Brennstoffzellen, insbesondere Niedertemperatur-Brennstoffzellen (wie PEMFC oder DMFC), die ein ionenleitendes Polymer als Elektrolyt aufweisen. Das Gasverteilersubstrat wird auf der Anodenseite der Brennstoffzelle eingesetzt und enthält Katalysatorkomponenten, die beispielsweise Kohlenmonoxid (CO) entfernen bzw. Methanol oxidieren können. Weiterhin wird ein Nerfahren zur Herstellung des katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates beschrieben. Das Produkt findet Verwendung in Membran-Elektroden-Einheiten (MEEs) für Νiedertemperatur-Brennstoffzellen, beispielsweise PEM-Brermstoffzellen, die mit CO- haltigem Reformatgas betrieben werden. Sie können aber auch für Direkt-Methanol- Brennstoffzellen (DMFC) eingesetzt werden.
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel örtlich voneinander getrennt an zwei Elektroden in Strom, Wärme und Wasser um. Als Brennstoff kann Wasserstoff, Methanol oder ein wasserstoffreiches Gas, als Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft dienen. Der Vorgang der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle zeichnet sich durch eine große Schadstofffreiheit und einen besonders hohen Wirkungsgrad aus. Aus diesem Grunde gewinnen Brennstoffzellen zunehmend Bedeutung für alternative Antriebskonzepte, Hausenergieversorgungsanlagen sowie portable Anwendungen.
Die Membranbrennstoffzellen, beispielsweise die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (englisch: PEMFC) und die Direlrt-Methanol-Brennstoffzelle (englisch: DMFC), eignen sich aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperaturen, ihrer kompakten Bauweise und ihrer Leistungsdichte für viele mobile und stationäre Einsatzbereiche. Die Technologie der Brennstoffzellen ist in der Literatur ausführlich beschrieben, beispielsweise in K. Kordesch and G. Simader, „Fuel Cells and its Applications", VCH Verlag Chemie, Weinheim (Germany) 1996.
PEM-Brennstoffzellen sind in einer stapelweisen Anordnung („Stack") aus vielen Brennstoffzelleneinheiten aufgebaut. Diese sind zur Erhöhung der Betriebsspannung elektrisch in Reihe, geschaltet.. Eine Brennstoffzelleneinheit enthält jeweils eine 5-lagige Membran-Elektrodeneinheit („MEE"), die zwischen bipolaren Platten, auch als Separatorplatten bezeichnet, zur Gaszufuhr und Stromleitung angeordnet ist. Eine solche 5- lagige Membran-Elektrodeneinheit ist wiederum aus einer Polymerelektrolyt-Membran aufgebaut, welche auf beiden Seiten mit jeweils einer Elektrodenschicht versehen ist (3- lagige, beidseitig katalysatorbeschichtete Membran, engl. catalyst-coated membrane, CCM). Eine der Elektrodenschichten ist als Anode für die Oxidation von Wasserstoff und die zweite Elektrodenschicht als Kathode für die Reduktion von Sauerstoff ausgebildet. Die Polymerelektrolyt-Membran besteht aus Protonen leitenden Polymeren. Diese Materialien werden im folgenden auch kurz als Ionomere bezeichnet. Anode und Kathode der CCM enthalten Elektrokatalysatoren, -die die jeweilige Reaktion (Oxidation- von- Wasserstoff beziehungsweise Reduktion von Sauerstoff) katalytisch unterstützen. Als katalytisch aktive -Komponenten werden bevorzugt die Metalle der Platingruppe des Periodensystems der Elemente eingesetzt. In der Mehrzahl werden sogenannte Trägerkatalysatoren verwendet.
Auf den beiden Seiten der CCM werden dann sogenannte Gasverteilersubstrate (engl. gas diffusion . layers, GDLs oder „backings") angebracht, so dass man damit zur 5-lagigen Membran-Elektrodeneinheit gelangt. Die Gasverteilersubstrate bestehen gewöhnlich aus Kohlefaserpapier oder Kohlefasergewebe und ermöglichen einen guten Zugang der Reaktionsgase zu den Reaktionsschichten und eine gute Ableitung des Zellenstroms und des sich bildenden Wassers.
Für den breiten kommerziellen Einsatz von. PEM-Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen und Hausenergieversorgungsanlagen ist eine weitere Verbesserung der elektrochemischen Zellenleistung und Lebensdauer, insbesondere beim Einsatz von CO-haltigen -Reformatgasen notwendig.
Typische wasserstof haltige Brenngase, die durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Methan, Petroleum, Benzin oder Alkoholen erzeugt werden, enthalten je nach Reinigungsverfahren bis zu 2-3 Vol. % Kohlenmonoxid (CO). Die Kohlenmonoxidanteile wiederum vergiften den Pt- bzw. PtRu-Anodenkatalysator und führen damit zu einer
Leistungseinbuße der gesamten PEM-Brennstoffzelle.
Es hat in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, die Vergiftung der Anodenkatalysatoren durch CO zu beheben bzw. ihre Wirkung zu reduzieren. Hier gibt es umfangreiche Arbeiten zur Entwicklung von CO-toleranten Elektrokatalysatoren, vornehmlich auf der Basis von Platin/Ruthenium-Legierungen, die eine verbesserte Toleranz beim Betrieb mit CO-haltigen Brenngasen aufweisen (siehe beispielsweise US 6,007,934 und US 6,066,410). Aus der Literatur ist weiterhin das sog. „air-bleed"-Verfahren bekannt. Dabei werden zusätzlich ca. 1 bis 3 Vol. % Luft in den Anodenraum der Zelle geleitet, um das am Pt- oder PtRu-Elektrokatalysator adsorbierte CO zu CO2 aufzuoxidieren und damit zu entfernen (siehe beispielsweise S. Gottesfeld und J. Pafford, J. Electrochem. Soc. 135, (1988), 139-146). Die Reaktion läuft in der Gasphase ab und lässt sich folgendermaßen darstellen:
" CO + >/2 O2 (Luft) => CO2 _ (1)
Eine weitere Möglichkeit zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus wasserstoffhaltigen 5 Brenngasen ist die sog. Methanisierungsreaktion. An einem Katalysator wird das vorhandene CO mit Wasserstoff zu inertem Methan umgesetzt und so aus dem Gemisch entfernt:
CO + 3 H2 => CH4 + H20 _ (2)
Im Unterschied zur selektiven Oxidation nach Gl. (1) ist die Methanisierung von Kohlenmonoxid inhärent mit dem Verbrauch von Wasserstoff verbunden, benötigt jedoch 10 keinen „air bleed" und damit keine externe Zuführung von Luft. Dies bedeutet weniger
) Regelaufwand. Während die Methode der CO-Entfernung durch Methanisierung noch relativ _ spärlich in der Literatur beschrieben wird, gibt es zahlreiche Vorschläge in der Patentliteratur, die sich damit befassen, einen gasphasenaktiven Katalysator zur CO-Oxidation in ein Gasverteilersubstrat einzubauen bzw. zu integrieren.
15 So wird beispielsweise in der EP 0 736 921 Bl eine Elektrode beschrieben, die zwei verschiedene katalytische Komponenten enthält. Die erste katalytische Komponente ist für Gasphasenreaktionsstellen aktiv, während die zweite katalytische Komponente an elektrochemischen Reaktionsstellen aktiv ist. Beide katalytische Komponenten werden als Doppelschicht („bi-layer") auf das Gasverteilersubstrat aufgebracht und stehen miteinander in
20 physikalischem Kontakt.
In der WO 00/36679 wird ein Gasverteilersubstrat („backing") für eine PEM-Anode
) beschrieben, das nur auf der Seite, die der Ionomermembran abgewandt ist, einen gasphasenaktiven Katalysator zur Oxidation von CO besitzt. Gasphasenaktiver Katalysator und Elektrokatalysator sind- beide als dünne Schichten ausgebildet und als solche nicht
25 miteinander in direktem Kontakt.
In der EP 0 985 241 ist ein integraler PEM-Brennstoffzellenstapel beschrieben, der eine Anode besitzt, die als Dreischichtanode ausgebildet ist. Diese besitzt auf der Seite, die der Membran abgewandt ist eine CO-oxidationsselektive Katalysatorschicht und auf der Seite, die der Membran zugewandt ist, eine elektrochemisch aktive Schicht.
30 In der JP 9-129243 wird eine Niedertemperatur-(PEM)-BrennstoffzelIe, vorgeschlagen, die ebenfalls eine Gasdiffusionsschicht mit einem CO-Oxidationskatalysator enthält. Dabei wird der CO-Oxidationskatalysator in einer Mischung aus leitfähigem Material (z.B. Ruß) und wasserabstoßendem Material (z.B. PTFE) zu einem porösen Film verarbeitet und auf die Gasdiffusionsschicht aufgebracht.
Alle hier vorgeschlagenen Lösungsansätze weisen den Nachteil auf, dass der gasphasen aktive Katalysator nur in einer dünnen Schicht auf dem Gasverteilersubstrat ausgebildet ist.
5 Aufgrund dieser dünnen Schichten wird die Verweilzeit des CO-haltigen Brenngases auf dem Katalysatormaterial reduziert. Dies führt zu einem nur teilweisen Umsatz und damit zu einer unvollständigen CO-Oxidation. Weiterhin .werden die gasphasenaktiven Katalysatoren in Form von vorgefertigten Trägerkatalysatoren eingesetzt (beispielsweise Ru auf Ruß, Pt auf Aluminiumoxid) und dann in einem Gemisch mit Ruß, Teflon und ggf. weiteren 0 Bestandteilen weiterverarbeitet. In vielen Fällen wird aktive Katalysatoroberfläche durch diese zusätzlichen Bestandteile blockiert. Damit erhält man keine optimale Ausnutzung der aktiven Katalysatoroberfläche, was wiederum dazu führt, dass letzte Reste an CO (z.B. . Anteile unter 100 ppm) nicht entfernt werden. Dies bedeutet, dass weiterhin eine CO- Vergiftung der Elektrokatalysatoren auf der Anode des Brennstoffzellenstacks stattfindet.
5 Die oben beschriebenen Lösungsvorschläge führen weiterhin zu einer erheblichen Komplizierung der Brennstoffzelle, insbesondere des Gasverteiler- und Elektrodensystems. Es müssen zusätzliche Schichten auf die Gasverteilersubstrate aufgebracht werden, die letzlich eine Erhöhung der Produktionskosten der Produkte verursachen, weil sie zu einem komplexeren Fertigungsablauf führen.
0 Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für Niedertemperatur-Brennstoffzellen bereitzustellen und ein geeignetes Herstellverfahren für ein solches Produkt zu finden.
, Demgemäß betrifft die Erfindung ein katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für
Niedertempera r-Brennstoffzellen enthaltend ein poröses Trägermaterial und 5 Katalysatoφartikel, wobei die Katalysatoφartikel gleichmäßig über das gesamte Volumen des Gasverteilersubstrates verteilt sind. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Substrats sowie geeignete Herstell verfahren dafür sind in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben.
In vorteilhafter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrat eine gute Ausnutzung des Katalysators bzw. der Katalysatoroberfläche 0 und somit .eine hohe Aktivität und Selektivität bei der Entfernung von Kohlenmonoxid (entweder durch CO-Oxidation oder durch Methanisierung) und bei der Oxidation von Methanol (in der DMFC) erzielt. Weiterhin zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung solcher Gasverteilersubstrate durch eine geringe Komplexität aus. Es ist praktisch und lässt sich leicht in einen kontinuierlichen Fertigungsablauf integrieren, wodurch 5 die Herstellkosten gesenkt werden. Das erfmdungsgemäße katalysatorhaltige Gasverteilersubstrat enthält eine katalytisch aktive Komponente; die gleichmäßig über das gesamte Volumen des Gasverteilersubstrats verteilt ist. Es kann in einem Verfahren erzeugt werden, in dem Precursor wie wasserlösliche
5 und/oder leicht zersetzbare Metallverbindungen, die zuvor in das betreffende Gasverteilersubstrat eingebracht worden sind, zersetzt bzw. pyrolisiert werden. Vorzugsweise werden dabei Edelmetallverbindungen verwendet. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird ein Gasverfeilersubstrat mit einer wäßrigen Lösung eines Precursors (z.B. mit einer leicht zersetzbaren Metallyerbindung) getränkt bzw. imprägniert. Dieser Trankprozess kann
10 durch einfaches Tauchen, durch Sprühen. Pinseln oder durch Imprägnieren- erfolgen. Im einfachsten Fall wird das Gasverteilersubstrat in eine Wanne gelegt, die eine Lösung der Metallverbindung enthält, anschließend herausgenommen und getrocknet Der Prozess wird
J - so lange . wiederholt, bis die notwendige Beladung des Substrates mit der katalytisch wirksamen Metallverbindung erreicht ist. Typischerweise werden Belegungsmengen in
15 Flächenkonzentrationen von 0,05 bis 5 mg Metall/cm2 durch ein bis zehn Wiederholungen erzielt. Es sind jedoch auch höhere Flächenkonzentrationen, bis etwa 100 mg/cm2 erreichbar. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Precursor-Lösung auf beide Seiten des Gasverteilersubstrates zu sprühen und anschließend zu trocknen. Arbeitet man im Siebdruckverfahren, so kann das Tränken bzw. Imprägnieren des Gasverteilersubstrates durch
20 Siebdrucken einer dünnen Tinte erfolgen, deren Viskosität so eingestellt ist, .dass sie das gesamte Substrat benetzt und durchdringt. Bei dem erfindungsgemäßen Gasverteilersubstrat ist die Katalysatorkomponente gleichmäßig im gesamten Volumen des Substrates verteilt und bevorzugt die katalytisch aktiven Partikel am Trägermaterial fixiert. So wird eine optimale Verteilung der Partikel im Substrat sowie eine sehr gute Zugänglichkeit der Reaktanten zu
25 den katalytisch aktiven Stellen der Partikel gewährleistet.
Der Tränk- bzw. Imprägnieφrozess kann in geeigneten Vorrichtungen kontinuierlich, beispielsweise von Rolle-zu-Rolle, durchgeführt werden. Dabei kann das Gasverteilersubstrat als endloses, flexibles Band eingesetzt werden und durch verschiedene Stationen, bestehend beispielsweise aus Hydrophobierung, Imprägnierung/Tränkung mit Precursorlösung, 30 Troclcnung, Beschichtung mit einer Ausgleichsschicht und Temperung, geführt werden. Die Imprägnierung bzw. Tränkung mit der Precursorverbindung kann damit leicht in einen kontinuierlichen Herstellprozess für Gasverteilersubstrate eingebaut werden. Sie verursacht damit geringe Zus atzkosten, führt aber gleichzeitig zu einem höherwertigen Produkt.
Die Temperung, die zur Zersetzung der Precursoren verwendet werden kann und bei der die
35 Katalysatoφartikel gebildet werden, führt man in der Regel bei Temperaturen von 200 bis
900°C, vorzugsweise 200 bis 600°C durch. Sie kann unter Luftatmosphäre, aber auch unter Schutzgas (beispielsweise Stickstoff, Argon oder Mischungen davon) oder reduzierenden Gasen (beispielsweise Stickstoff/Wasserstoff-Mischungen oder Formiergas) vorgenommen werden. Es können dabei Band-Durchlauföfen, Muffelöfen, Kammeröfen sowie Kombinationen davon zum Einsatz kommen.
Als Katalysatoren für die CO-Oxidation nach Gl. (1) kommen vorzugsweise Ru-, PfRu- oder Pt-Legierungen mit Unedelmetallen in Betracht. Weiterhin können goldhaltige Katalysatoren wie beispielsweise Au, Au/Titanoxid oder .Au/Eisenoxid verwendet werden. Auch können geträgerte silberhaltige Katalysatoren (beispielsweise Ag/Titanoxid) zum Einsatz kommen.
Zur Methanisierung von CO nach Gl. (2) eignen sich zum Beispiel Katalysatoren auf Basis von Nickel und/oder Ruthenium. Vorzugsweise sollten die Betriebstemperaturen der Zelle beim Einsatz von Gasverteilersubstraten mit Methanisierungskatalysator etwas über den normalen Temperaturen der PEM-Brennstoffzelle liegen. Bei Betriebstemperaturen von über 90°C wird nämlich eine Erhöhung der Methanisierungsaktivität des Katalysators erzielt und gleichzeitig die CO-Vergiftung des Pt-haltigen Anodenkatalysators zurückgedrängt.
Als Precursoren für die katalytisch aktiven Komponenten kommen wasserlösliche, leicht zersetzbare Metallverbindungen, vorzugsweise Verbindungen aus der Gruppe der Amminnitrate, Nitrate, Carbonate, Carboxylate, Hydoxycarboxylate, Acetate, Lactate, Butanoate, Oxalate, Formiate, Octanoate, oder Ethylhexanoate zum Einsatz, die bei der Zersetzung die gewünschten Katalysatoφartikel bilden. Bevorzugte Katalysatoφartikel umfassen Metalle, insbesondere Edelmetalle wie bspw. Pt, Pd, Ru. Rh, Au, Ag, Ir, Os. und/oder deren Oxide, und/oder deren Mischungen beziehungsweise Legierungen mit Nichtedelmetallen, aber auch Unedelmetalle wie Ti, Fe. Co, Mn, Cr oder Ni. Aus Korrosions grün den vermeidet man nach Möglichkeit halogen- bzw. chlorhaltige Precursoren. Jedoch können zum Beispiel auch metallorganische Komplexe der Metalle, sog. Resinate, eingesetzt werden.
Beispiele für geeignete Edelmetallverbindungen sind die Pt-Precursoren Platin(II)-nitrat, Platin(II)-lactat, Platin(II)ammin-nitrat, Ethylammonium-platinhexahydrat, Platinacetat etc. Beispiele für geeignete Ru-Precursoren sind Ruthenium(III)-nitrosylnitrat oder Ruthenium(III)-acetat. Beispiele für Au-haltige Precursoren sind Goldresinate wie z.B Au- Polymerester (Fa. FERRO GmbH, Frankfurt) oder goldhaltige Komplexsalze. Analoge Komplexe der anderen Edelmetalle können selbstverständlich auch verwendet werden.
Precursoren für Unedelmetalle, die allein oder in Kombination mit den Edelmetallprecursoren verwendet werden können, sind beispielsweise Kobalt(II)-nitrat, Mangan(II)-oxalat, Chrom(III)-nitrat, Nickel(II)-nitrat, Eisen(II)-carbonat und vergleichbare Verbindungen anderer Elemente wie der oben aufgeführten Unedelmetalle. Auch hierbei werden halogenhaltige Precursoren aus Korrosionsgründen vermieden.
Weiterhin können den beschriebenen Edelmetall- und Unedelmetall-Precursoren zusätzliche Komponenten beigefügt werden, die als Co-Katalysatoren, als Trägermaterialien oder als Vorstufen davon fungieren. Beispiele hierfür sind hochoberflächige Edelmetallmohre, feine Metallpulver, Ruße, pyrogene Oxide wie beispielsweise Kieselsäure („Aerosil" der Fa. Degussa), pyrogene Titanoxide und vergleichbare Materialien. Auch andere anorganische Komponenten, die sich bei Pyrolyse bzw. Temperaturbehandlung in oxidische Materialien umwandeln, können eingesetzt werden Beispiele hierfür sind organische Silizium -Ester, Organosilane, Organotitanate, Organostannate, Aluminate, Borate und ähnliche Verbindungen.
Die Precusorverbindungen werden zu einer Zubereitung verarbeitet, die für das jeweilige Auftragsverfahren auf das Gasverteilersubstrat geeignet ist. Für den Auftrag im Tauch- bzw. Tränkverfahren wird eine entsprechend niedrigviskose Lösung hergestellt. Diese kann zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften Hilfsmittel wie Tenside, Netzmittel, Bindemittel, Verdickungsmittel, Anti-Absetzmittel oder organische Lösungsmittel enthalten. Für den Auftrag durch Pinseln oder durch Siebdruck wird die Viskosität der Lösungen entsprechend modifiziert, Mittel und Wege hierzu sind dem Fachmann bekannt.
Als Ausgangsmaterialien zur Herstellung des erfindungsgemäßen katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates können kommerzielle Kohlefasersubstrate verwendet werden. Es werden häufig poröse Kohlefasersubstrate (Kohlefaseφapiere oder Kohlefasergewebe) mit einer Schichtdicke von 100 bis 400 μm eingesetzt. Diese Materialien haben üblicherweise eine Porosität von 60 bis 90 % und mittlere Porendurchmesser von 20 bis 50μm. Es gibt verschiedene Substratmaterialien, die sich in Struktur, Herstellungsverfahren und Eigenschaften unterscheiden. Beispiele für solche poröse Materialien sind Toray-Papier,
Kohlefaservliese von SGL (Typ Sigracet) oder gewebte Kohlefasergebilde der Firma Textron
(Typ AvCarb). Viele dieser Materialien sind als Blatt- oder auch als Rollenware erhältlich.
Des weiteren sind als Ausgangsmaterial für Gasverteilersubstrate auch Metallgewebe, feine
Metallnetze, leitfähig beschichtete Kunststoffgewebe, leitfähig beschichtete Textilgewebe, beschichtete Glasfasern und ähnliche Materialien einsetzbar. Grundsätzlich können die
Gasverteilersubstrate vorher hydrophobiert, hydrophiliert, gepresst, gewalzt oder auf sonstige
Art behandelt sein, bevor sie mit der Precursorlösung behandelt werden.
Das erfindungsgemäße katalysatorhaltige Gasverteilersubstrat kann mit oder ohne
Ausgleichschicht ausgerüstet sein. Als Ausgleichsschicht (sog. „Microlayer") wird im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht auf derjenigen Seite des Gasverteilersubstrates verstanden, die in der Brennstoffzelle mit der Elektrodenschicht in Kontakt steht. Die Ausgleichsschicht enthält in der Regel eine Mischung aus einem hydrophoben Polymeren wie beispielsweise PTFE und feinteiligen Rußen. Die Ausgleichsschicht wird üblicherweise durch Siebdruckverfahren aufgebracht, ihre Dicke beträgt beispielsweise von 5 bis 100 μm.
Eine komplette Membran-Elektrodeneinheit („MEE") einer PEM- oder DMFC- Brennstoffzelle enthält eine katalysatorbeschichtete Polymerelektrolyt-Membran („CCM") mit beidseitig angebrachten Gasverteilersubstraten. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Gasverteilersubstrat auf der Anodenseite der Membran-Elektrodeneinheit eingesetzt. Die damit hergestellten Membran-Elektroden-Einheiten sind aufgrund der verbesserten Toleranz gegenüber Kohlenmonoxid für den Einsatz von CO-haltigen Wasserstoffgemischen als Brenngas verwendbar. Solche Brenngase werden häufig durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Methan oder Benzin hergestellt und kommen bei der stationären Verwendung der Brennstoffzelle zum Einsatz.
Jedoch kann das erfindungsgemäße katalysatorhaltige Gasverteilersubstrat auch in MEEs für Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) eingesetzt werden. Es bewirkt dabei beispielsweise auf der Anodenseite eine bessere Oxidation des Methanols und trägt zur Leistungsverbesserung der DMFC-Zelle bei.
Die folgenden Figuren zeigen Ausführungsformen der Erfindung.
Figur 1: Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen kata'lysatorhaltigen Gasverteilersubstrates mit Ausgleichsschicht
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat. Dabei bezeichnet (11) das poröse Substratmaterial. Die Katalysatoφartikel (12) sind an der Oberfläche des Substrates fixiert und gleichmäßig über das gesamte Volumen des Substrates verteilt. Sie besitzen damit eine optimale Zugänglichkeit, beispielsweise für ein durch CO verunreinigtes Brenngas. Eine optionale Ausgleichsschicht (13), die beispielsweise aus PTFE und Ruß besteht, ist aufgebracht, um den Kontakt zur Elektrodenschicht auf der Ionomermembran zu verbessern.
Figur 2: Komplette 5-lagige Membran-Elektroden-Einheit mit erfindungs gemäßem katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrat auf der Anodenseite.
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine komplette 5-lagige MEE mit erfindungsgemäßem Gasverteilersubstrat (21) enthaltend Katalysatoφartikel (22) auf der Anodenseite. Das Gasverteilersubstrat (21) ist in Kontakt mit einer dreilagigen katalysatorbeschichteten Ionomermembran, bestehend aus Anodenkatalysatorschicht (23a), Ionomermembran (23) und Kathodenkatalysators chicht (23b). Auf der Kathodenseite ist ein nicht katalysiertes Gasverteilersubstrat (24) angebracht. In dieser Ausführungsform tragen die beiden Gasverteilersubstrate keine Ausgleichsschicht.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die darin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Beispiele
Beispiel 1:
Es wird die Herstellung eines Ru-haltigen Gasverteilersubstrates mit Ausgleichsschicht beschrieben. Als Ausgangsmaterial dient ein hy'drophobiertes Kohlefaseφapier der Fläche 50 cm2 (Abmessungen ca. 7x7 cm) mit einer Dicke von 200 μm (Sigracet 10, Fa. SGL Carbon). Der Teflon-Gehalt beträgt ca. 8 Gew.-%. Nach der Gewichtsermittlung mittels einer Laborwaage wird das Substrat in eine große Schale mit Ruthenium(III)acetat-Lösung (5 Gew.-% Ru in Wasser, Fa. OMG, Hanau) getaucht. Nach der vollständigen Benetzung nimmt man das Substrat mit einer Pinzette aus dem Tauchbad. Man lässt es für eine kurze Zeit abtropfen und trocknet anschließend im Trockenschrank bei 100°C für 15 min. Dann lässt man abkühlen und ermittelt die aufgenommenen Menge an Ru-Acetat gravimetrisch. Der Tauchvorgang wird dreimal wiederholt, bis eine Beladung von 0,85 mg -Ru-Acetat/cm2 erhalten wird. Anschließend tempert man das Gasverteilersubstrat für 30 min in einem Ofen bei 200°C unter Formiergas (95 Vol.-% Stickstoff, 5 Vol.-% Wasserstoff). Nach dem Abkühlen des Substrates beträgt der Ru-Gehalt des Substrates 0,48 mg Ru/cm2. Die Ru- Partikel sind gleichmäßig im Substrat verteilt und an der Substratoberfläche fixiert. Sie weisen eine mittlere Partikelgröße von 5 nm auf, gemessen mittels Transmissions-Elektronen- Spektrokopie (TEM).
Sodann wird im Siebdruckverfahren eine Ausgleichsschicht aus Ruß/PFTE aufgebracht, getrocknet und bei 390°C für 10 min getempert. Die Schichtdicke der Ausgleichschicht beträgt ca. 20 μm.
Das Substrat wird als Voranode mit einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) kombiniert und zu einer Membran-Elektrodeneinheit (MEE) zusammengefügt. Als CCM kommt eine katalysatorbeschichtete Membran des Typs 6 C zum Einsatz (Beladung Anode 0,2 mg Pt/cm2; Beladung Kathode 0,4 mg Pt/cm2, Membran EW 1100 mit 50 micron Dicke, Fa. OMG, Hanau). Auf der Kathodenseite wird ein hydrophobiertes Kohlefaseφapier mit Ausgleichschicht (Standard, Fa. SGL, Typ Sigracet 10) eingesetzt. > Die MEE wird in einer PEM-Brennstoffzelle im Wasserstoff/Luft- sowie im Reformat/Luft- Betrieb getestet und weist vor allem im Reformat/Luft-Betrieb bei einem Gehalt von 100 ppm CO sehr gute Ergebnisse auf (s. Tabelle 1). Im Vergleich zum katalysatorfreien Gasverteilersubstrat (Vergleichsbeispiel VB1) ist die Toleranz gegenüber CO deutlich verbessert. Dies zeigt, dass das erfmdungsgemäße katalysatorhaltige Gasverteilersubstrat eine sehr gute Wirksamkeit besitzt.
Beispiel 2:
Es wird die Herstellung eines Ru-haltigen Gasverteilersubstrates ohne Ausgleichsschicht beschrieben. Als Ausgangsmaterial dient wiederum ein hydrophobiertes Kohlefaseφapier der Fläche 50 cm2 (Abmessungen ca. 7x7 cm) mit einer Dicke von 200 μm (Sigracet 10, Fa. SGL Carbon). Der Teflon-Gehalt beträgt ca. 8 Gew.-%. Die Imprägnierung mit Precursorlösung erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben. Der Tauchvorgang wird zweimal wiederholt, bis eine Beladung von 0,5 mg Ru-Acetat/cm2 erhalten wird. Anschließend tempert man das Gasverteilersubstrat für 30 min in einem Ofen bei 250 °C unter Formiergas (95 Vol.-% Stickstoff, 5 Vol.-% Wasserstoff). Nach dem Abkühlen des Substrates beträgt der Ru-Gehalt des Substrates 0,28 mg Ru/cm2. Die Ru-Partikel sind gleichmäßig im Substrat verteilt und an der Substratoberfläche fixiert. Sie weisen eine mittlere Partikelgröße von 4 nm (gemessen mit TEM) auf. Das Substrat wird als Voranode mit einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) kombiniert und, wie in Beispiel 1 beschrieben, zu einer Membran-Elelctrodeneinheit (MEE) zusammengefügt. Beim Betrieb der MEE mit CO-haltigem Reformat (100 ppm CO) erhält man sehr gute Ergebnisse und im Vergleich zu Vergleichsbeispiel VB1 (siehe unten) eine deutlich verbesserte CO-Toleranz.
Beispiel 3:
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines Au/Ti02-haltigen Gasverteilersubstrates ohne Ausgleichsschicht. Als Ausgangsmaterial dient wiederum ein hydrophobiertes Kohlefaserpapier der Fläche 50 cm2 (Abmessungen ca. 7x7 cm) mit einer Dicke von 200 μm (Sigracet 10, Fa. SGL Carbon). Der Teflon-Gehalt beträgt ca. 8 Gew.-%. Es wird eine wasserhaltige Precursorlösung hergestellt enthaltend Au-Polymerester HF 3401 (Fa. FERRO, Frankfurt) und Titanoxid (Typ P25, Fa. Degussa, Frankfurt). Der Au-Gehalt der Lösung beträgt 5 Gew.-% Au, der Anteil an Titanoxid liegt bei 0,1 Gew.-%. Die Tränkung erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben. Der Tauchvorgang wird dreimal wiederholt. Anschließend tempert man das Gasverteilersubstrat für 30 min in einem Ofen bei 250°C unter Formiergas. Nach dem Abkühlen des Substrates beträgt der Au-Gehalt des Substrates ca. 0,1 mg Au/cm2. Die Au-Partikel sind im Verbund mit dem Titanoxid gleichmäßig im Substrat verteilt. Das Substrat wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, als Voranode mit einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) kombiniert und zu einer Membran-Elektrodeneinheiten (MEE) 5 zusammengefügt.
Beim Betrieb der MEE mit CO-haltigem Reformat (100 ppm CO) erhält man sehr gute Ergebnisse und im Vergleich zu VB1 eine deutlich verbesserte CO-Toleranz.
Vergleichsbeispiel -(VB 1)
10 In diesem nicht erfindungsgemäßen Beispiel wird die Herstellung und Prüfung einer MEE mit
) - einem katalysatorfreien Gasverteilersubstrat ohne Ausgleichsschicht auf der Anodenseite beschrieben. Als Ausgangsmaterial dient wiederum ein hydrophobiertes Kohlefaseφapier der Fläche 50 cm2 (Abmessungen ca. 7x7 cm) mit einer Dicke von 200 μm (Sigracet 10, Fa. SGL Carbon). Der Teflon-Gehalt beträgt ca. 8 "Gew.-%. Das katalysatorfreie Substrat wird mit
15 einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) kombiniert und, wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, zu einer Membran-Elektrodeneinheiten (MEE) zusammengefügt. Beim Betrieb der MEE mit CO-haltigem Reformat (100 ppm CO) erhält man aufgrund der CO-Vergiftung des Pt-Katalysators sehr schlechte Ergebnisse. Dies zeigt, dass die erfindungsgemäßen katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrate (mit oder ohne Ausgleichsschicht) "eine sehr gute
20 Wirksamkeit besitzen.
) Beispiel 4:
Es wird die Herstellung eines PtRu-haltigen Gasverteilersubstrates ohne Ausgleichsschicht und dessen Verwendung als Voranode in einer Direlct-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
25 beschrieben.
Als Ausgangsmaterial dient wiederum ein hydrophobiertes Kohlefaseφapier der Fläche 50 cm2 (Abmessungen ca. 7x7 cm) mit einer Dicke von 200 μm (Sigracet 10, Fa. SGL Carbon). Der Teflon-Gehalt beträgt ca. 8 Gew.-%. Nach der Gewichtsermittlung mittels einer Laborwaage wird das Substrat in eine große Schale mit 6 Teilen Ruthenium(III)-acetat-
30 Lösung (5 Gew. % Ru in Wasser, Fa. OMG, Hanau) und 1 Teil Platin(II)-nitrat (16 Gew. % Pt, Fa. OMG. Hanau) getaucht. Nach der vollständigen Benetzung wird das Substrat mit einer Pinzette, aus dem Tauchbad genommen. Man läßt es für eine kurze Zeit abtropfen und trocknet anschließend im Trochenschrank bei 100°C für 15 min. Dann läßt man abkühlen und ermittelt die aufgenommenen Menge an Ru-Acetat und Pt-Nitrat gravimetrisch. Anschließend tempert man das Gasverteilersubstrat für 30 min in einem Ofen bei 250°C unter Formiergas (95 Vol.-% Stickstoff, 5 Vol.-% Wasserstoff). Nach dem Abkühlen des Substrates beträgt der Ru-Gehalt des Substrates ca. 0,65 mg Ru/cm2 und der Platingehalt ca. 0, 35 mg Pt/cm2. Die Pt- und Ru-Partikel sind gleichmäßig über das gesamte Volumen des Substrates verteilt. Das Substrat wird als Voranode mit einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM, Typ R22 Anodenbeladung 0,3 mg Pt/cm2 und 0,15 mg Ru/cm2, Kathodenbeladung 0,4 mg Pt/cm2; Fa. OMG, Hanau) kombiniert und, wie in Beispiel 1 beschrieben, zu einer Membran-Elektrodeneinheiten (MEE) zusammengefügt. Diese wird in eine "Direlct-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) mit einer aktiven Zellfläche von 50 cm2 eingebaut. Zur Messung wird eine 2-molare Methanol/Wasser-Lösung verwendet, die Zelltemperatur beträgt 60 °C. Auf der Kathodenseite wird Luft im drucklosen Betrieb zugeführt. Man erhält eine eine sehr Leistungsdichte (peak power density) von über 80 mW/cm2.
Elektrochemische Tests
Bei den PEMFC -Leistungstests wird als Anodengas eine Brenngas-Mischung aus 60 Vol.-% H2, 15 Vol.-% N2 und 25 Vol.-% C02 verwendet. Dem Brenngas wird 100 ppm CO mit einem „airbleed" von 1 Vol.-% bzw. 3 Vαl.-% Luft zugesetzt. Diese Brenngas-Mischung simuliert ein Reformatgas, welches durch Reformieren von Methan oder Kohlenwasserstoffen mittels Dampfreformierung und nachfolgender Reinigungsstufen erhalten werden kann. Als Kathodengas wird Luft verwendet. Die Zelltemperatur beträgt 75 °C. Der Druck der Arbeitsgase ist 3 bar (absolut). Die Stöchiometrie der Gase ist 1,5 (Anodengas) und 2,0 (Kathodengas). Die MEEs werden in einer Zelle mit 50 cm2 aktiver Fläche nach OMG- Standardbedingungen vermessen. Die Ergebnisse für Beispiele 1. 2 und 3 sowie für das Vergleichsbeispiel VB 1 sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Elektrochemische Tests in der PEM-Brennstoffzelle (Zellspannung bei einer Stromdichte von 500 mA/cm2)

Claims

Patentansprüche
1. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für eine Brennstoffzelle, enthaltend ein poröses Trägermaterial und Katalysatoφartikel, wobei die Katalysatoφartikel gleichmäßig über
10 das gesamte Volumen des Gasverteilersubstrates verteilt sind.
2. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorpartikel an der Oberfläche des porösen Trägermaterials fixiert sind.
3. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach Anspruch 1 ,oder 2, wobei die Katalysatoφartikel eine mittlere Partikelgröße von 1 bis 100 nm aufweisen.
15 4. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Katalysatoφartikel Edelmetalle der Gruppe Pt, Pd, Ru, Rh, Au, Ag, Ir, Os, und/oder deren Oxide, und/oder deren Mischungen beziehungsweise Legierungen mit Nichtedelmetallen umfassen.
5. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei 20 die Katalysatoφartikel in einer Flächenkonzentration von 0,01 bis 100 mg Metall/cm2 auf dem Gasverteilersubstrat vorliegen.
6. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei j das poröse Trägermaterial aus Kohlefasergewebe, Kohlefaservlies, Kohlepapier,
Kohlefasernetzen, leitfähig beschichteten Kunststoffnetzen, leitfähig beschichteten 25 Polymergeweben, leitfällig beschichteten Glasfasern, leitfähig beschichteten Schäumen oder Metallfasergeweben oder Metalldrahtnetzen umfasst.
7. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Katalysatoφartikel gasphasenaktiv sind und zur Oxidation von Kohlenmonoxid geeignet sind.
30 8. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Katalysatoφartikel gasphasenaktiv sind und zur Umsetzung von Kohlenmonoxid zu Methan geeignet sind..
9. Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Katalysatoφartikel zur Oxidation von Methanol geeignet sind.
10. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach den Ansprüchen 1 bis 9. wobei die Katalysatoφartikel auf dem porösen Trägermaterial
5 durch thermische Zersetzung von mindestens einer Precursorverbindung gebildet werden.
11. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach Anspruch 10, wobei das poröse Trägermaterial mit mindestens einer Precursorverbindung behandelt wird, getrocknet wird und getempert wird, wobei eine
10 Zersetzung der Precursorverbindung eintritt und die Katalysatoφartikel gebildet und auf der Oberfläche des Trägermaterials fixiert werden.
12. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach Anspruch 10 oder 11, wobei als Precursorverbindungen thermisch zersetzbare Metallverbindungen eingesetzt werden.
15 13. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach einem der Ansprüche 10 bis 12. wobei als Precursorverbindung eine oder mehrere Metallverbindungen aus der Gruppe der Nitrate, Carbonate, Carboxylate, Hydroxycarboxylate, Acetate, Lactate, Butanoate, Oxalate, Formiate, Resinate oder Ethylhexanoate eingesetzt werden.
20 14. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Temperung bei einer Temperatur von 200 bis 900°C durchgeführt wird.
)
15. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Temperung unter gasförmiger Atmosphäre, 25 vorzugsweise unter Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Mischungen davon, durchgeführt wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrates nach Anspruch 10, wobei die Herstellung in einem kontinuierlichen Verfahren erfolgt.
17. Verwendung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrats nach einem der Ansprüche 30 1 bis 9 in Brennstoffzellen zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus wasserstoffhaltigen
Brenngasen.
18. Verwendung eines katalysatorhaltigen Gasverteilersubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen zur Oxidation von Methanol.
19. Membran-Elektroden-Einheit für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, enthaltend ein katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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