EP1624966A2 - Catalyst layer, suitable catalyst paste, and method for the production thereof - Google Patents

Catalyst layer, suitable catalyst paste, and method for the production thereof

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Publication number
EP1624966A2
EP1624966A2 EP04730194A EP04730194A EP1624966A2 EP 1624966 A2 EP1624966 A2 EP 1624966A2 EP 04730194 A EP04730194 A EP 04730194A EP 04730194 A EP04730194 A EP 04730194A EP 1624966 A2 EP1624966 A2 EP 1624966A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
paste
catalyst
catalyst layer
basic
polymer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04730194A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kai Jakoby
Morten Schonert
Andreas GLÜSEN
Carola Schlumbohm
Detlef Stolten
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8668Binders
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828Coating with slurry or ink
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a catalyst layer, in particular a catalyst layer, which is suitable for use in a fuel cell.
  • the conventional pastes for producing, for example, an anodic PtRu catalyst layer have different paste properties.
  • increasing the solid-solvent ratio from 0.2 to 0.6 can significantly increase the paste viscosity from 15 to 150 mPas.
  • such a marked increase in the solid / solvent ratio usually leads to instability of the paste, since the solubility limit is often reached. This procedure is therefore unsuitable for setting the paste viscosity.
  • the object of the invention is to provide a catalyst layer which can be applied using a simple application method, such as, for example, knife coating or screen printing, and which, as a finished layer, does not have any significant performance losses compared to layers which are applied using other application methods.
  • the object of the invention is furthermore one for such a catalyst layer and the provide suitable catalyst paste available above.
  • a first object of the invention is achieved by a viscous catalyst paste according to the main claim.
  • a further object is achieved by a method for producing this catalyst paste according to auxiliary claim 6, and by a method for producing a catalyst layer according to auxiliary claim 14.
  • Advantageous embodiments can be found in the claims which refer back to each of them.
  • a basic additive to a catalyst paste comprising fully supported and / or unsupported catalyst particles and at least one acidic ion exchange polymer leads to an advantageous increase in the viscosity of the paste.
  • the advantage of the process according to the invention lies in the small amount of additive, which on the one hand leads to a significant increase in viscosity, but on the other hand does not regularly cause any deterioration in the catalyst properties.
  • the advantageous mode of action of basic additives is based on an acid-base reaction which occurs regularly between an acidic ion exchange polymer with a basic additive as an additive and which is present in the paste as standard ,
  • suitable basic additives in Polymers and copolymers with basic monomer units are to be understood in the sense of the invention. Mixtures of different polymers and / or copolymers with basic monomer units have also proven to be suitable as basic additives.
  • the basic additives build polymer networks during the production of the pastes by crosslinking the ion-conductive polymer (an acid) present, for example with a basic polymer.
  • ion-conductive polymer an acid
  • a basic polymer for example.
  • the formation of a network of basic and acidic polymers is known in principle, but because of the complexity of the catalyst paste system, it cannot be used here in a simple and obvious way.
  • polyethyleneimine is known from the literature as a basic polymer which tends to gel with acidic polymers.
  • polyethyleneimine has proven to be not shown usable.
  • basic polymers with a ring system comprising a nitrogen atom have been found to be particularly effective for increasing the viscosity in a catalyst paste.
  • advantageous basic additives include, for example, polymers and / or copolymers with monomer units comprising pyridine rings, such as 4-vinylpyridine or also 2-vinylpyridine.
  • Monomer units are also included in the scope of this invention.
  • basic additives which are present as basic polymer mixtures, basic copolymer mixtures or as a polymer-copolymer mixture.
  • Network formation shows the desired effect even with very small additions (> 0.1% by weight) of a suitable basic additive.
  • Additions to a conventional catalyst paste of only 0.1 to 3% by weight, in particular from 0.4 to 2% by weight, and particularly advantageously from 0.6 to 1.5% by weight, have proven to be advantageous.
  • These additions advantageously bring about an increase in the viscosity (> than 100 mPas, in particular> 200 mPas) of the catalyst paste such that it can be used in application processes such as screen printing or knife coating.
  • the percentages by weight relate to the solids content of basic additive based on the mass of dried catalyst layer. The viscosity is measured at a shear rate of 100 per second.
  • the basic additive is advantageously added in the form of a solution.
  • gel formation usually occurs in contact with the acidic ion exchange polymer.
  • the formation of the gel, and thus the desired increase in viscosity, is, however, regularly dependent on the type of addition of the basic additive to the remaining catalyst paste.
  • a person skilled in the art of rheology knows that gel formation can be avoided by metering in the components too slowly or too quickly, or that a gel initially formed can be destroyed again by high shear forces. The mixing process must therefore be based on the components accordingly.
  • the dispersion of supported and / or unsupported catalyst particles and acidic ion exchange polymer is first prepared as is customary in the prior art, in order to ensure a uniform distribution of the catalyst particles. Only then is the basic additive, for example in the form of a basic polymer and / or copolymer, advantageously admittedly added as a solution.
  • a method has proven to be particularly effective in which a basic polymer solution is layered over a dispersion of supported and / or unsupported catalyst particles and acidic ion exchange polymer.
  • the two phases are mixed by shaking and the gel formation occurs regularly.
  • a subsequent ultrasound treatment can advantageously further increase the homogenization.
  • the new, viscous catalyst paste is regarded as an intermediate product for further processing into a catalyst layer as an end product.
  • Figure 1 Half-cell measurement at 80 ° C, in which the anode comprises a catalyst layer: bold curve: catalyst paste with 0.9 wt .-% PVP, thin curve: catalyst paste without the addition of PVP.
  • Figure 2 Half-cell measurement at 50 ° C, in which the anode comprises a catalyst layer:
  • Catalyst paste with 1.5% by weight PVP with aftertreatment (bold curve)
  • catalyst paste with 1.5% by weight PVP without aftertreatment (thin Curve)
  • catalyst paste without the addition of PVP (dashed curve).
  • a catalyst paste is made available for the production of a catalyst layer, in which a basic paste, in particular a basic polymer, preferably poly (4-vinylpyridine) (PVP), is added to a catalyst paste in such an amount, so that the catalyst paste now present has a viscosity of more than 100 mPas, in particular more than 200 mPas, which is regularly required for application by means of a doctor blade or screen printing.
  • a basic paste in particular a basic polymer, preferably poly (4-vinylpyridine) (PVP)
  • the electrochemical performances of the catalyst layers with the addition of PVP on the anode diffusion layer produced by the method according to the invention were evaluated.
  • the pastes were applied to diffusion layers with a table doctor device. gene and then processed to membrane electrode assemblies (MEAs) with an area of 2 cm 2 .
  • MEAs membrane electrode assemblies
  • half-cell measurements were carried out in which the measurement was carried out against a hydrogen-developing cathode as a reference electrode in order to be able to exclude influences on the performance curves on the cathode side.
  • a voltage was applied between the anode and cathode (anode positive) and the current was measured. 1 molar methanol solution is oxidized at the anode, hydrogen is developed at the cathode.
  • the anode potential is related to an electroless hydrogen development electrode in the cathode compartment.
  • the parameters for increasing the viscosity of a PtRu catalyst paste with polyvinylpyridine as a basic additive are listed below.
  • the PVP solution is carefully run down the wall of the vessel containing the catalyst paste.
  • the catalyst paste is overlaid by the solution containing the additive. Shake for 1 min
  • a polymer network is formed in a particularly simple manner, which leads to a significant increase in viscosity.

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Abstract

Known prior art catalyst pastes are, as a rule, to liquid for coating by means of silk-screen printing or colour ductors. The invention relates to a method for the production of a catalyst paste, containing an acidic ion exchanger and specific base polymers, which is especially suitable for coating methods such as silk-screen printing and colour ductors due to the viscosity thereof. A catalyst layer produced with said inventive catalyst paste does not regularly display any loss in performance compared to catalyst layers produced by prior art standard catalyst pastes. Even improved performance properties are partially obtained.

Description

Katalysatorschicht, geeignete Katalysatorpaste, sowie Herstellungsverfahren derselben Catalyst layer, suitable catalyst paste, and the production process thereof
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht, insbesondere einer Katalysatorschicht, die für den Einsatz in einer Brennstoffzelle geeignet ist.The invention relates to a method for producing a catalyst layer, in particular a catalyst layer, which is suitable for use in a fuel cell.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind kommerziell erhältliche Standardkatalysatorpulver bekannt, die üblicherweise durch Sprühen oder Gießen aufgebracht werden. Ferner sind weitere Auftragungsverfahren zur Aufbringung einer Katalysatorpaste bekannt, die insbesondere für großtechnische Anwendungen geeignet sind. Schwierigkeiten entstehen regelmäßig dann, wenn für ein technisch relevantes Auftragsverfahren, wie beispielsweise das Rakeln oder der Siebdruck, eine gewisse Mindestviskosität der aufzutragenden Paste gefordert wird. Die kommerziell erhältlichen Standardkatalysatorpulver und die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Katalysatorpaste erfüllen diese Voraussetzungen für die Viskosität regelmäßig nicht. Die auf die herkömmliche Art hergestellten Katalysatorpasten sind in der Regel sehr dünnflüssig, d. h. sie weisen eine Viskosität unterhalb von 50 mPas auf und sind daher für einige technisch relevanten Auftragsverfahren (z. B. Rakeln, Sieb- druck) nicht geeignet. Bislang wurden zunächst geeignete Katalysatorpasten hergestellt, die zu einer leistungsfähigen Katalysatorschicht führen. Erst danach wurde ein Verfahren gesucht, mit dem genau diese Paste verarbeitet werden konnte. Dies bedeutete, dass das Auftragsverfahren an die Pasteneigenschaften der ausgewählten Paste ange- passt wurde. Nachteilig konnten dabei häufig nur solche Auftragsverfahren ausgewählt werden, die für eine großtechnische Umsetzung nicht geeignet sind.Commercially available standard catalyst powders are known from the prior art and are usually applied by spraying or pouring. Furthermore, other application methods for applying a catalyst paste are known which are particularly suitable for large-scale applications. Difficulties regularly arise when a certain minimum viscosity of the paste to be applied is required for a technically relevant application process, such as knife coating or screen printing. The commercially available standard catalyst powders and the conventional methods for producing a corresponding catalyst paste do not regularly meet these requirements for viscosity. The catalyst pastes produced in the conventional way are generally very thin, ie they have a viscosity below 50 mPas and are therefore not suitable for some technically relevant application processes (eg doctor blades, screen printing). So far, suitable catalyst pastes have been produced that lead to an efficient catalyst layer. Only then was a process sought, with which precisely this paste could be processed. This meant that the application process was adapted to the paste properties of the selected paste. It was often disadvantageous to select only those application methods which are not suitable for large-scale implementation.
Der Versuch, durch konventionelle Verdicker die Katalysatorpasten an ein vorteilhafteres Auftragsverfahren anzupassen, führten regelmäßig zu Katalysatorschichten, die den geforderten Leistungsanforderungen nicht mehr genügten. Um die geforderte Viskositätserhöhung zu be- wirken, werden die bislang eingesetzten Verdicker der Paste in einer solchen Menge zugeführt, dass sich die Eigenschaften der hergestellten Katalysatorschicht in der Regel nachteilig verschlechtern.The attempt to adapt the catalyst pastes to a more advantageous application process using conventional thickeners regularly led to catalyst layers which no longer met the required performance requirements. In order to bring about the required increase in viscosity, the thickeners used up to now are added to the paste in such an amount that the properties of the catalyst layer produced generally deteriorate disadvantageously.
Polymernetzwerke führen bekanntermaßen schon bei einem geringen Polymeranteil zu einer Erhöhung der Viskosität von Pasten. Die Zugabe von vernetzten Polymeren zu Katalysatorpasten ist aber regelmäßig nicht zielführend, da vernetzte Polymere nur schlecht löslich sind und eine homogene Einbringung aller Komponenten der Paste in das Netzwerk sehr schwierig ist. Eine homogene Verteilung der Katalysatorteilchen ist aber für die Leistungsfähigkeit der fertigen Katalysatorschicht häufig zwingend erforderlich. Darüber hinaus führen die bei der Dispersionsherstellung erforderlichen Prozess- schritte mit hoher Scherbelastung regelmäßig zur Zerstörung des Polymernetzwerkes. Zur Übertragung der Technik auf die Rakelwerke einer Beschichtungsmaschine ist es beispielsweise erforderlich, die Viskosität der Katalysatorpasten in einem Bereich von mindestens 200 mPas einzustellen. Die her- kömmlichen Pasten für die Herstellung beispielsweise einer anodischen PtRu-Katalysatorschicht zeigen demgegenüber andere Pasteneigenschaften. Bei kohlenstoff- geträgerten PtRu-C Katalysatoren kann eine Erhöhung des Feststoff-Lösemittel-Verhältnisses von 0,2 auf 0,6 die Pastenviskosität signifikant von 15 auf 150 mPas steigern. Eine solche deutliche Erhöhung des Feststoff- Lösemittel-Verhältnisses führt jedoch in der Regel zur Instabilität der Paste, da häufig die Grenze der Löslichkeit erreicht wird. Diese vorgenannte Vorgehenswei- se ist daher zur Einstellung der Pastenviskosität ungeeignet. Ferner hat sich als nachteilig herausgestellt, dass sich beim Rakeln durch den hohen Feststoffgehalt der Paste sehr dicke Schichten mit schlechten mechanischen Eigenschaften und zu hohen PtRu-Belegungen erge- ben.As is known, polymer networks lead to an increase in the viscosity of pastes even with a low polymer content. However, the addition of crosslinked polymers to catalyst pastes is generally not expedient, since crosslinked polymers are poorly soluble and it is very difficult to introduce all components of the paste homogeneously into the network. However, a homogeneous distribution of the catalyst particles is often imperative for the performance of the finished catalyst layer. In addition, the process steps with high shear stress required for the dispersion production regularly lead to the destruction of the polymer network. To transfer the technology to the doctor blades of a coating machine, it is necessary, for example, to set the viscosity of the catalyst pastes in a range of at least 200 mPas. In contrast, the conventional pastes for producing, for example, an anodic PtRu catalyst layer have different paste properties. In the case of carbon-supported PtRu-C catalysts, increasing the solid-solvent ratio from 0.2 to 0.6 can significantly increase the paste viscosity from 15 to 150 mPas. However, such a marked increase in the solid / solvent ratio usually leads to instability of the paste, since the solubility limit is often reached. This procedure is therefore unsuitable for setting the paste viscosity. It has also been found to be disadvantageous that, when knife coating, the high solids content of the paste results in very thick layers with poor mechanical properties and excessive PtRu coatings.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Katalysatorschicht zu schaffen, die mit einem einfachen Auftragungsverfah- ren, wie beispielsweise dem Rakeln oder dem Siebdruck aufgetragen werden kann, und als fertige Schicht keine wesentlichen Leistungseinbußen gegenüber solchen Schichten aufweist, die mit anderen Auftragungsverfahren aufgebracht werden. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine für eine solche Katalysatorschicht und die oben genannten Auftragungsverfahren geeignete Katalysatorpaste zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is to provide a catalyst layer which can be applied using a simple application method, such as, for example, knife coating or screen printing, and which, as a finished layer, does not have any significant performance losses compared to layers which are applied using other application methods. The object of the invention is furthermore one for such a catalyst layer and the provide suitable catalyst paste available above.
Eine erste Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine viskose Katalysatorpaste gemäß Hauptanspruch. Eine wei- tere Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung dieser Katalysatorpaste gemäß Nebenanspruch 6, sowie durch eine Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht gemäß Nebenanspruch 14. Vorteilhafte Ausführungen finden sich in den jeweils darauf rückbe- zogenen Ansprüchen wieder.A first object of the invention is achieved by a viscous catalyst paste according to the main claim. A further object is achieved by a method for producing this catalyst paste according to auxiliary claim 6, and by a method for producing a catalyst layer according to auxiliary claim 14. Advantageous embodiments can be found in the claims which refer back to each of them.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass die Zugabe eines basischen Additivs zu einer Katalysatorpaste um- fassend geträgerte und/oder ungeträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens ein saures Ionenaustauscherpolymer, zu einer vorteilhaften Erhöhung der Viskosität der Paste führt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der geringen Menge an Zusatz, welche einerseits zu einer deutlichen Viskositätserhöhung führt, andererseits aber regelmäßig keine Verschlechterung der Katalysatoreigenschaften bewirkt .In the context of the invention, it was found that the addition of a basic additive to a catalyst paste comprising fully supported and / or unsupported catalyst particles and at least one acidic ion exchange polymer leads to an advantageous increase in the viscosity of the paste. The advantage of the process according to the invention lies in the small amount of additive, which on the one hand leads to a significant increase in viscosity, but on the other hand does not regularly cause any deterioration in the catalyst properties.
Die vorteilhafte Wirkungsweise von basischen Additiven, insbesondere von basischen Polymeren und/oder Copolyme- ren als Zusatz zu einer Katalysatorpaste, basiert auf einer Säure-Base-Reaktion, die zwischen einem in der Paste standardmäßig vorliegenden sauren Ionenaustauscherpolymer mit einem basischen Additiv als Zusatz regelmäßig auftritt. Als geeignete basische Additive im Sinne der Erfindung sind insbesondere Polymere und Co- polymere mit basischen Monomereinheiten zu verstehen. Ferner haben sich auch Mischungen aus verschiedenen Polymeren und/oder Copolymeren mit basischen Monomerei- heiten als basische Additive als geeignet herausgestellt.The advantageous mode of action of basic additives, in particular of basic polymers and / or copolymers as an additive to a catalyst paste, is based on an acid-base reaction which occurs regularly between an acidic ion exchange polymer with a basic additive as an additive and which is present in the paste as standard , As suitable basic additives in Polymers and copolymers with basic monomer units are to be understood in the sense of the invention. Mixtures of different polymers and / or copolymers with basic monomer units have also proven to be suitable as basic additives.
In den erfindungsgemäßen Pasten werden durch die basischen Additive Polymernetzwerke während der Pastenherstellung aufgebaut, indem das vorhandene ionenleitfähi- ge Polymer (eine Säure) beispielsweise mit einem basischen Polymer vernetzt wird. Die Bildung eines Netzwerks aus basischen und sauren Polymeren ist im Prinzip bekannt, kann aber wegen der Komplexität des Systems Katalysatorpaste hier nicht auf einfache und nahelie- gende Weise angewandt werden.In the pastes according to the invention, the basic additives build polymer networks during the production of the pastes by crosslinking the ion-conductive polymer (an acid) present, for example with a basic polymer. The formation of a network of basic and acidic polymers is known in principle, but because of the complexity of the catalyst paste system, it cannot be used here in a simple and obvious way.
Die Anforderungen an das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einer Katalysatorpaste umfassen dabeiThe requirements for the method according to the invention for the production of a catalyst paste include
- die Auswahl spezieller basischer Additive, insbesondere Polymere und/oder Copolymere, die für die Anwen- düng in einer Katalysatorpaste geeignet sind,the selection of special basic additives, in particular polymers and / or copolymers, which are suitable for use in a catalyst paste,
- die Auswahl der geeigneten Menge an basischen Additiven, die gleichzeitig eine optimale Viskosität der Paste und eine optimale Leistung der Schicht bewirkt,the selection of the appropriate amount of basic additives, which at the same time brings about an optimal viscosity of the paste and an optimal performance of the layer,
- die Auswahl bzw. die Anpassung eines Dispergierver- fahrens zur Herstellung der Katalysatorschichten, um die Ausbildung eines Netzwerkes zu erreichen.- The selection or adaptation of a dispersion process for the production of the catalyst layers in order to achieve the formation of a network.
Aus der Literatur ist beispielsweise Polyethylenimin als basisches Polymer bekannt, welches mit sauren Polymeren zur Gelbildung neigt . Für die Anwendung in einer Katalysatorpaste hat sich Polyethylenimin jedoch als nicht brauchbar herausgestellt.For example, polyethyleneimine is known from the literature as a basic polymer which tends to gel with acidic polymers. For use in a catalyst paste, however, polyethyleneimine has proven to be not shown usable.
Im Rahmen dieser Erfindung haben sich basische Polymere mit einem Ringsystem umfassend ein Stickstoffatom als besonders effektiv für eine Viskositätserhöhung in ei- ner Katalysatorpaste herausgestellt. Zu diesen vorteilhaften basischen Zusätzen zählen beispielsweise Polymere und/oder Copolymere mit Monomereinheiten umfassend Pyridinringe, wie beispielsweise 4-Vinylpyridin oder auch 2-Vinylpyridin. Ebenfalls besonders geeignet sind auch Polymere und/oder Copolymere mit Pyrrol-In the context of this invention, basic polymers with a ring system comprising a nitrogen atom have been found to be particularly effective for increasing the viscosity in a catalyst paste. These advantageous basic additives include, for example, polymers and / or copolymers with monomer units comprising pyridine rings, such as 4-vinylpyridine or also 2-vinylpyridine. Polymers and / or copolymers with pyrrole-
Monomereinheiten. Mit umfasst im Rahmen dieser Erfindung sind auch basische Additive, die als basische Polymermischungen, basische Copolymermischungen oder auch als Polymer-Copolymermischung vorliegen.Monomer units. Also included in the scope of this invention are basic additives which are present as basic polymer mixtures, basic copolymer mixtures or as a polymer-copolymer mixture.
Er hat sich überraschend herausgestellt, dass dieseHe has surprisingly turned out to be this
Netzwerkbildung schon bei sehr geringen Zusätzen (> 0,1 Gew.-%) an geeignetem basischen Additiv die gewünschte Wirkung zeigt. Als vorteilhaft haben sich Zugaben zu einer herkömmlichen Katalysatorpaste von nur 0,1 bis 3 Gew.-%, insbesondere von 0,4 bis 2 Gew.-%, und besonders vorteilhaft von 0,6 bis 1,5 Gew.-% herausgestellt. Diese Zugaben bewirken vorteilhaft eine derartige Viskositätserhöhung (> als 100 mPas, insbesondere > 200 mPas) der Katalysatorpaste, dass sie bei Auftragungs- verfahren wie Siebdruck oder Rakeln angewendet werden kann. Die Gew.-% Angaben beziehen sich dabei auf den Feststoffanteil an basischem Additiv bezogen auf die Masse an getrockneter Katalysatorschicht. Die Viskosität wird bei einer Scherrate von 100 pro Sekunde gemes- sen. Vorteilhaft wird der basische Zusatz in Form einer Lösung zugegeben. Der Einsatz derartig geringer Mengen an basischem Additiv führt regelmäßig nicht zu einer nachteiligen Beeinträchtigung der Leistung der hergestellten Katalysatorschicht. Gegebenenfalls, insbesondere bei höheren Zugaben, kann eine geringfügige Beein- trächtigung der Leistung durch eine Nachbehandlung der fertigen Katalysatorschicht in einer verdünnten Säure rückgängig gemacht oder sogar überkompensiert werden. Als vorteilhaft hat sich insbesondere Schwefelsäure als verdünnte Säure herausgestellt. Der vorgenannte Effekt kann durch Erwärmung auf bis zu 90 °C sogar noch verbessert werden.Network formation shows the desired effect even with very small additions (> 0.1% by weight) of a suitable basic additive. Additions to a conventional catalyst paste of only 0.1 to 3% by weight, in particular from 0.4 to 2% by weight, and particularly advantageously from 0.6 to 1.5% by weight, have proven to be advantageous. These additions advantageously bring about an increase in the viscosity (> than 100 mPas, in particular> 200 mPas) of the catalyst paste such that it can be used in application processes such as screen printing or knife coating. The percentages by weight relate to the solids content of basic additive based on the mass of dried catalyst layer. The viscosity is measured at a shear rate of 100 per second. The basic additive is advantageously added in the form of a solution. The use of such small amounts of basic additive does not regularly adversely affect the performance of the catalyst layer produced. If necessary, especially with higher additions, a slight impairment of performance can be reversed or even overcompensated for by post-treatment of the finished catalyst layer in a dilute acid. In particular, sulfuric acid has proven to be advantageous as a dilute acid. The aforementioned effect can even be improved by heating up to 90 ° C.
Bei den vorgenannten basischen Zusätzen tritt in der Regel in Kontakt mit dem sauren Ionenaustauscherpolymer eine Gelbildung ein. Die Bildung des Gels, und damit die gewünschte Viskositätserhöhung, ist aber regelmäßig abhängig von der Art der Zudosierung des basischen Zusatzes zu der restlichen Katalysatorpaste. Einem Fachmann für Rheologie ist bekannt, dass eine Gelbildung durch zu langsames oder zu schnelles Zudosieren der Komponenten ausbleiben kann, bzw. ein zunächst ausgebildetes Gel durch hohe Scherkräfte wieder zerstört werden kann. Daher ist das Mischungsverfahren auf die Komponenten entsprechend abzustellen.With the aforementioned basic additives, gel formation usually occurs in contact with the acidic ion exchange polymer. The formation of the gel, and thus the desired increase in viscosity, is, however, regularly dependent on the type of addition of the basic additive to the remaining catalyst paste. A person skilled in the art of rheology knows that gel formation can be avoided by metering in the components too slowly or too quickly, or that a gel initially formed can be destroyed again by high shear forces. The mixing process must therefore be based on the components accordingly.
Idealerweise wird für die Herstellung des Katalysator- Schicht zunächst die Dispersion aus geträgerten und/oder ungeträgerten Katalysatorteilchen und saurem Ionenaustauscherpolymer wie nach dem Stand der Technik üblich hergestellt, um eine gleichmäßige Verteilung der Katalysatorpartikel zu gewährleisten. Erst im Anschluss daran wird der basische Zusatz, beispielsweise in Form eines basischen Polymers und/oder Copolymers, vorteil- haft als Lösung zugegeben.Ideally, for the preparation of the catalyst layer, the dispersion of supported and / or unsupported catalyst particles and acidic ion exchange polymer is first prepared as is customary in the prior art, in order to ensure a uniform distribution of the catalyst particles. Only then is the basic additive, for example in the form of a basic polymer and / or copolymer, advantageously admittedly added as a solution.
Als besonders wirkungsvoll hat sich ein Verfahren herausgestellt, bei dem eine basische Polymerlösung über eine Dispersion aus geträgerten und/oder ungeträgerten Katalysatorteilchen und saurem Ionenaustauscherpolymer geschichtet wird. Durch Rütteln erfolgt eine Durchmischung der beiden Phasen und die Gelbildung tritt regelmäßig ein. Durch eine sich anschließende Ultraschallbehandlung kann die Homogenisierung weiter vor- teilhaft erhöht werden.A method has proven to be particularly effective in which a basic polymer solution is layered over a dispersion of supported and / or unsupported catalyst particles and acidic ion exchange polymer. The two phases are mixed by shaking and the gel formation occurs regularly. A subsequent ultrasound treatment can advantageously further increase the homogenization.
Im Rahmen dieser Erfindung wird die neue, viskose Katalysatorpaste als Zwischenprodukt zur Weiterverarbeitung zu einer Katalysatorschicht als Endprodukt angesehen..In the context of this invention, the new, viscous catalyst paste is regarded as an intermediate product for further processing into a catalyst layer as an end product.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne daß der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigenThe subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to figures, without the subject matter of the invention being restricted thereby. Show it
Figur 1: Halbzellenmessung bei 80 °C, bei der jeweils die Anode eine Katalysatorschicht umfasst : fette Kurve: Katalysatorpaste mit 0,9 Gew.-% PVP, dünne Kurve: Katalysatorpaste ohne Zusatz von PVP.Figure 1: Half-cell measurement at 80 ° C, in which the anode comprises a catalyst layer: bold curve: catalyst paste with 0.9 wt .-% PVP, thin curve: catalyst paste without the addition of PVP.
Figur 2: Halbzellenmessung bei 50 °C, bei der jeweils die Anode eine Katalysatorschicht umfasst :Figure 2: Half-cell measurement at 50 ° C, in which the anode comprises a catalyst layer:
Katalysatorpaste mit 1,5 Gew.-% PVP mit Nachbehandlung (fette Kurve) , Katalysatorpaste mit 1,5 Gew.-% PVP ohne Nachbehandlung (dünne Kurve) und Katalysatorpaste ohne Zusatz von PVP (gestrichelte Kurve) .Catalyst paste with 1.5% by weight PVP with aftertreatment (bold curve), catalyst paste with 1.5% by weight PVP without aftertreatment (thin Curve) and catalyst paste without the addition of PVP (dashed curve).
Im Rahmen dieser Erfindung wird eine Katalysatorpaste für die Herstellung einer Katalysatorschicht zur Verfü- g ng gestellt, bei der einer Katalysatorpaste ein basisches Additiv, insbesondere ein basisches Polymer, bevorzugt Poly (4-vinylpyridin) (PVP) , in einer derartigen Menge zugesetzt wird, so dass die nunmehr vorliegende Katalysatorpaste eine Viskosität von mehr als 100 mPas, insbesondere von mehr als 200 mPas aufweist, die regelmäßig zur Aufbringung mittels Rakel oder Siebdruck benötigt wird.In the context of this invention, a catalyst paste is made available for the production of a catalyst layer, in which a basic paste, in particular a basic polymer, preferably poly (4-vinylpyridine) (PVP), is added to a catalyst paste in such an amount, so that the catalyst paste now present has a viscosity of more than 100 mPas, in particular more than 200 mPas, which is regularly required for application by means of a doctor blade or screen printing.
Im Falle der anodischen PtRu-Katalysatoren wurde gefunden, dass die Viskositäten der Pasten durch eine gerin- ge Menge an zugegebenem polymeren Additiv sprunghaft angehoben wird. Gleichzeitig wird auf diese Weise die elektrochemische Leistung der Schichten möglichst wenig beeinträchtigt . Insbesondere der Einfluss des Additivs Polyvinylpyridin (PVP) auf die Viskosität und die e- lektrochemische Leistung der Pasten stellte sich als besonders vorteilhaft heraus. Die basischen funktioneilen Gruppen des Polyvinylpyridins führen durch Wechselwirkung mit Sulfonsäuregruppen des Nafions® zur Bildung eines über Ionencluster vernetzten Polymergeis in der Katalysatorpaste.In the case of the anodic PtRu catalysts, it has been found that the viscosities of the pastes are increased suddenly by a small amount of polymer additive added. At the same time, the electrochemical performance of the layers is impaired as little as possible. In particular, the influence of the additive polyvinylpyridine (PVP) on the viscosity and the electrochemical performance of the pastes was found to be particularly advantageous. The basic functional groups of polyvinylpyridine, through interaction with sulfonic acid groups of Nafions ®, lead to the formation of a polymer gel crosslinked via ion clusters in the catalyst paste.
Die elektrochemischen Leistungen der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Katalysatorschichten mit PVP-Zusatz auf der Anodendiffusionsschicht wurden evaluiert. Zu diesem Zweck wurden die Pasten mit einem Tischrakelgerät auf Diffusionsschichten aufgetra- gen und dann zu Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) mit einer Fläche von 2 cm2 verarbeitet. Anschließend wurden Halbzellenmessungen vorgenommen, bei denen die Vermessung gegen eine Wasserstoff entwickelnde Kathode als Referenzelektrode erfolgte, um kathodenseitige Einflüsse auf die Leistungskurven ausschließen zu können. Zwischen Anode und Kathode wurde eine Spannung angelegt (Anode positiv) und der Strom gemessen. An der Anode wird 1 molare Methanollösung oxidiert, an der Kathode wird Wasserstoff entwickelt . Das Anodenpotential wird auf eine stromlose Wasserstoffentwicklungselektrode im Kathodenraum bezogen. Je höher die Stromdichten sind, die bei möglichst niedrigen Anodenpotentialen erreicht werden, desto besser ist die Leistung der getesteten Anode für die Methanoloxidation. Eine Korrektur für Ohm' sehe Verluste wird vorgenommen. Da verschiedene Proben in der Regel leicht unterschiedliche Edelmetallbelegungen haben, wird auf die Edelmetallbelegung normiert .The electrochemical performances of the catalyst layers with the addition of PVP on the anode diffusion layer produced by the method according to the invention were evaluated. For this purpose, the pastes were applied to diffusion layers with a table doctor device. gene and then processed to membrane electrode assemblies (MEAs) with an area of 2 cm 2 . Subsequently, half-cell measurements were carried out in which the measurement was carried out against a hydrogen-developing cathode as a reference electrode in order to be able to exclude influences on the performance curves on the cathode side. A voltage was applied between the anode and cathode (anode positive) and the current was measured. 1 molar methanol solution is oxidized at the anode, hydrogen is developed at the cathode. The anode potential is related to an electroless hydrogen development electrode in the cathode compartment. The higher the current densities that are achieved with the lowest possible anode potentials, the better the performance of the tested anode for methanol oxidation. A correction for Ohm's losses is made. Since different samples usually have slightly different precious metal assignments, the precious metal assignment is standardized.
Die Ergebnisse, die in Figur 1 zu sehen sind, ergeben, dass die Leistungskurven der PVP-Schichten bei einem Anteil von 0,9 Gew.-% denen einer analogen Schicht ohne PVP vergleichbar sind.The results, which can be seen in FIG. 1, show that the power curves of the PVP layers with a proportion of 0.9% by weight are comparable to those of an analog layer without PVP.
Bei höheren PVP-Gehalten (> 1,5 Gew.-%) wurde eine ein- stündige Nachbehandlung der gerakelten Gasdiffusionselektroden bei 80 °C in verdünnter Schwefelsäure durchgeführt, um vergleichbare Leistungskurven zu erreichen (siehe Figur 2) . Bei PVP-Gehalten von 0,9 Gew.-% führte diese Nachbehandlung nur zu geringfügigen Verbesserun- gen. Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäß mit basischen Additiven versetzte Katalysatorpaste als fertige Katalysatorschicht ähnlich gute Leistungen aufweist, wie herkömmliche, dünnflüssige Katalysatorpasten, al- lerdings den großen Vorteil aufweist, mit technischen Auftragungsverfahren aufgebracht werden zu können.At higher PVP contents (> 1.5% by weight), the doctored gas diffusion electrodes were treated for one hour at 80 ° C. in dilute sulfuric acid in order to achieve comparable performance curves (see FIG. 2). With PVP contents of 0.9% by weight, this aftertreatment led to only minor improvements. The results show that the catalyst paste according to the invention mixed with basic additives as a finished catalyst layer performs just as well as conventional, low-viscosity catalyst pastes, but has the great advantage that it can be applied using technical application methods.
Nachfolgend werden in einem Ausführungsbeispiel die Parameter für die Erhöhung der Viskosität einer PtRu- Katalysatorpaste mit Polyvinylpyridin als basischen Zu- satz aufgeführt.In one embodiment, the parameters for increasing the viscosity of a PtRu catalyst paste with polyvinylpyridine as a basic additive are listed below.
Ansatz für die Katalysatorpaste:Approach for the catalyst paste:
3,0 g Pt/Ru-C (40% Edelmetall) 6,0 ml Wasser 6,0 ml 2-Propanol 8,55 g Nation® - Lösung (15 Gew.-%)3.0 g Pt / Ru-C (40% precious metal) 6.0 ml water 6.0 ml 2-propanol 8.55 g Nation ® solution (15% by weight)
Behandlung der Katalysatorpaste : 10 min Ultraschallbad 3 min UltraturraxTreatment of the catalyst paste: 10 min ultrasonic bath 3 min Ultraturrax
Ansatz für das basische Additiv: 342 mg PVP-Lösung (210 mg PVP in 2 ml 2-Propanol =Approach for the basic additive: 342 mg PVP solution (210 mg PVP in 2 ml 2-propanol
11,6 Gew.-%) entspricht 0,92 Gew.-% PVP im Feststoff11.6% by weight) corresponds to 0.92% by weight of PVP in the solid
Zudosierung des Additivs:Addition of the additive:
Man läßt die PVP-Lösung vorsichtig an der Gefäßwand herab laufen, die die Katalysatorpaste enthält. Es kommt zu einer Überschichtung der Katalysatorpaste durch die das Additiv aufweisende Lösung. 1 min rüttelnThe PVP solution is carefully run down the wall of the vessel containing the catalyst paste. The catalyst paste is overlaid by the solution containing the additive. Shake for 1 min
10 min Ultraschallbad10 min ultrasonic bath
Durch die vorgenannte Art der Durchmischung bildet sich besonders einfach ein Polymernetzwerk aus, welches zu einer deutlichen Viskositätserhöhung führt. Due to the above-mentioned type of mixing, a polymer network is formed in a particularly simple manner, which leads to a significant increase in viscosity.

Claims

Patentansprüche claims
1. Katalysatorschicht umfassend geträgerte oder un- geträgerte Katalysatorteilchen und wenigstens ein saures Ionenaustauscherpolymer, dadurch gekennzeichnet, dass die Kataly- satorpaste wenigstens ein Polymer oder Copolymer, umfassend basische Monomereinheiten mit einem stickstoffhaltigen Ringsystem als basisches Additiv mit einem Anteil von 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf eine daraus hergestellte getrocknete Katalysator- schicht, umfasst.1. Catalyst layer comprising supported or unsupported catalyst particles and at least one acidic ion exchange polymer, characterized in that the catalyst paste comprises at least one polymer or copolymer comprising basic monomer units with a nitrogen-containing ring system as a basic additive in a proportion of 0.1 to 3% by weight .-%, based on a dried catalyst layer produced therefrom.
2. Katalysatorschicht nach Anspruch 1, die das basische Additiv mit einem Anteil von 0,4 bis 2 Gew.-%, insbesondere mit einem Anteil von 0,6 bis2. Catalyst layer according to claim 1, which the basic additive in a proportion of 0.4 to 2 wt .-%, in particular with a proportion of 0.6 to
1,5 Gew.-% umfasst .1.5 wt .-% comprises.
3. Katalysatorschicht nach einem der vorhergehenden3. Catalyst layer according to one of the preceding
Ansprüche 1 bis 2, die wenigstens ein Polymer oder Copolymer umfassend 4-Vinylpyridin und/oder 2- Vinylpyridin und/oder Pyrrol als basisches Additiv umfasst .Claims 1 to 2, which comprises at least one polymer or copolymer comprising 4-vinylpyridine and / or 2-vinylpyridine and / or pyrrole as a basic additive.
4. Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 auf einem Substrat, mit den Schritten4. A method for producing a catalyst layer according to one of claims 1 to 3 on a substrate, with the steps
- zur Herstellung einer Paste wird zu einer Mischung aus geträgerten oder ungeträgerte Kataly- satorteilchen und wenigstens einem sauren Ionenaustauscherpolymer wenigstens ein Polymer oder ein Copolymer umfassend basische Monomereinheiten mit einem Stickstoffhaltigen Ringsystem als basisches Additiv mit einem Anteil zwischen 0,1 und 3 Gew.-%, bezogen auf eine daraus hergestellte getrocknete Katalysatorschicht derart zugegeben und homogenisiert , dass sich die Vis- kosität der gesamten Paste auf mehr als 100 mPas, insbesondere auf mehr als 200 mPas erhöht, - die so hergestellte Paste wird auf das Substrat aufgebracht .- For the production of a paste, at least one polymer or a copolymer comprising basic monomer units with a nitrogen-containing ring system as a mixture of supported or unsupported catalyst particles and at least one acidic ion exchange polymer basic additive with a proportion between 0.1 and 3% by weight, based on a dried catalyst layer produced therefrom, added and homogenized in such a way that the viscosity of the entire paste increases to more than 100 mPas, in particular to more than 200 mPas , - The paste thus produced is applied to the substrate.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zur Herstellung der Paste das basische Additiv mit einem Anteil zwischen 0,4 und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,6 und 1,5 Gew.-% zugegeben wird.5. The method according to claim 4, in which the base additive is added in a proportion of between 0.4 and 2% by weight, in particular between 0.6 and 1.5% by weight, to produce the paste.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem zur Herstellung der Paste wenigstens ein Polymer o- der Copolymer umfassend 4-Vinylpyridin oder 2-6. The method according to any one of claims 4 to 5, in which for the preparation of the paste at least one polymer or copolymer comprising 4-vinylpyridine or 2-
Vinylpyridin oder Pyrrol als Monomereinheiten zugegeben wird.Vinyl pyridine or pyrrole is added as monomer units.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem zur Herstellung der Paste das basische Additiv in Form einer Lösung zugegeben wird.7. The method according to any one of claims 4 to 6, in which the basic additive is added in the form of a solution for the preparation of the paste.
8. Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, bei dem zur Herstellung der Paste das basische Additiv als Lösung über die Mischung aus geträgerten oder ungetragerte Katalysatorteilchen und wenigstens einem sauren Io- nenaustauscherpolymer geschichtet wird und anschließend durch Schütteln homogenisiert wird.8. The method according to claim 4 to 7, in which for the preparation of the paste the basic additive is layered as a solution over the mixture of supported or unsupported catalyst particles and at least one acidic ion exchange polymer and is then homogenized by shaking.
9. Verfahren nach Anspruch 4 bis 8, bei dem die Katalysatorpaste durch Rakeln oder Siebdruck auf das Substrat aufgebracht wird. 9. The method according to claim 4 to 8, wherein the catalyst paste is applied by doctor blade or screen printing on the substrate.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem die aufgebrachte Katalysatorschicht einer Nachbehandlung unterzogen wird.10. The method according to any one of claims 4 to 9, wherein the applied catalyst layer is subjected to an aftertreatment.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem die aufgebrachte Katalysatorschicht bei Temperaturen bis zu 90 °C in einer verdünnten Säure behandelt wird.11. The method according to any one of claims 4 to 10, wherein the applied catalyst layer is treated at temperatures up to 90 ° C in a dilute acid.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei dem als Substrat die Anodendiffusionsschicht einer Brennstoffzelle gewählt wird. 12. The method according to any one of claims 4 to 11, wherein the anode diffusion layer of a fuel cell is selected as the substrate.
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