FR2789520A1 - Gas electrode production process, especially for proton exchange membrane fuel cell electrodes comprises chemically reducing platinum anions impregnated into heat treated carbon - Google Patents

Gas electrode production process, especially for proton exchange membrane fuel cell electrodes comprises chemically reducing platinum anions impregnated into heat treated carbon Download PDF

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Abstract

Membrane-type fuel cell gas electrode production involves impregnating heat treated carbon with a platinum anion solution and chemically reducing the platinum. Production of a gas electrode for a membrane-type fuel cell comprises subjecting carbon to heat treatment, and then impregnation with a solution of platinum anions prior to mixing the carbon with an ionic solution and deposition of the mixture on a carbonaceous support, the platinum being reduced by a chemical method. An Independent claim is also included for a PEM (proton exchange membrane) fuel cell having one or more electrodes produced by the above process. Preferred Features: Chemical reduction is carried out by electrode immersion in a molecular hydrogen saturated aqueous solution or by exposure to a gaseous hydrogen stream.

Description

PROCEDE DE PREPARATION D'ELECTRODES POREUSESPROCESS FOR THE PREPARATION OF POROUS ELECTRODES

A CONSOMMATION DE GAZGAS CONSUMPTION

La présente invention concerne un procédé de préparation d'électrodes poreuses à consommation de gaz, en particulier  The present invention relates to a method for preparing porous electrodes for gas consumption, in particular

d'électrodes de pile à combustible à membrane.  membrane fuel cell electrodes.

Dans le domaine des piles fonctionnant à basse température, c'est à dire entre la température ambiante et 200 C, les piles à 0o combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) apparaissent, pour le couple hydrogène/air comme des générateurs électrochimiques bien adaptées à une application aux véhicules électriques. L'intérêt de la technologie des PEMFC réside notamment dans la compacité et la simplicité de l'assemblage: le collage de deux électrodes de carbone platiné de part et d'autre d'une membrane conduit à des  In the field of cells operating at low temperature, that is to say between ambient temperature and 200 ° C., 0o fuel cells with proton exchange membrane (PEMFC) appear, for the hydrogen / air couple, as well suited electrochemical generators to an application to electric vehicles. The advantage of the PEMFC technology lies in particular in the compactness and simplicity of the assembly: the bonding of two platinum carbon electrodes on either side of a membrane leads to

cellules dont l'épaisseur peut ne pas dépasser 0,5 cm.  cells whose thickness may not exceed 0.5 cm.

De façon générale les électrodes poreuses à gaz, en particulier celles utilisées dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons sont constituées d'au moins deux couches: - une couche de diffusion, déposée sur un tissu de carbone ou une grille métallique, servant d'amenée de courant et de support mécanique à l'électrode et permettant une bonne répartition des gaz vers la couche active; elle peut être  In general, porous gas electrodes, in particular those used in fuel cells with a proton exchange membrane, consist of at least two layers: - a diffusion layer, deposited on a carbon fabric or a metallic grid, serving supply of current and mechanical support to the electrode and allowing good distribution of the gases towards the active layer; she may be

constituée de PTFE et de poudre de carbone.  made of PTFE and carbon powder.

- une couche active o se déroule la réaction électrochimique proprementdite et généralement constituée de poudre de carbone supportant les particules de catalyseur, d'électrolyte solide (ionomère dans le cas des piles à membrane) ou liquide, et éventuellement de polytétrafluoroéthylène (PTFE, facilitant la formation de  - an active layer where the actual electrochemical reaction takes place and generally consisting of carbon powder supporting the particles of catalyst, solid electrolyte (ionomer in the case of membrane batteries) or liquid, and possibly polytetrafluoroethylene (PTFE, facilitating the formation of

pores à gaz et servant de liant).gas pores and serving as a binder).

Dans le cas d'utilisation de métaux nobles (platine) ou d'alliage de ces métaux comme catalyseurs, il est important d'utiliser le catalyseur de la meilleure façon possible et cela implique: - une taille de particules optimale au point de vue activité massique (3 à 5 nm pour la réduction de 02 en milieu acide) - une couche active mince pour diminuer les limitations par la diffusion des gaz et la chute ohmique ionique, donc un rapport massique catalyseur/(carbone+catalyseur) élevé, à 40 % par exemple - de bonnes percolations électroniques et ioniques dans la  When using noble metals (platinum) or alloying these metals as catalysts, it is important to use the catalyst in the best possible way and this implies: - an optimal particle size from the activity point of view mass (3 to 5 nm for the reduction of 02 in an acid medium) - a thin active layer to reduce the limitations by the diffusion of gases and the ionic ohmic drop, therefore a high catalyst / (carbon + catalyst) mass ratio, at 40 % for example - good electronic and ionic percolations in the

couche active.active layer.

Pour fabriquer les électrodes, on réalise usuellement la couche active par dépôt sur la couche de diffusion d'un mélange de poudre de carbone préalablement platinée, d'électrolyte et éventuellement de PTFE, avant de chauffer et presser l'ensemble pour obtenir une électrode. Ce type de méthode assure en général la percolation électronique entre les grains de carbone si la proportion de carbone est suffisante, mais elle n'assure pas la percolation ionique (particules de catalyseur non recouvertes d'électrolyte). De plus les poudres de carbone supportant des particules de catalyseurs, qui sont disponibles dans le commerce, présentent des tailles de particules croissant rapidement avec le rapport massique déjà mentionné et ne conviennent plus quand ce rapport dépasse %. L'alternative constituée par le dépôt électrochimique in situ du catalyseur présente l'avantage de réaliser les percolations électronique et ionique, mais si le dépôt s'effectue à partir d'espèces en solution dans l'ionomère de la couche active ou de cations de type Pt(NH3)2+, même préadsorbés sur le carbone par échange ionique superficiel, les pourcentages massiques obtenus ne peuvent dépasser 5 à 10 %. Si les espèces viennent d'un électrolyte extérieur le dépôt est très  To manufacture the electrodes, the active layer is usually produced by depositing on the diffusion layer a mixture of previously platinum carbon powder, electrolyte and optionally PTFE, before heating and pressing the assembly to obtain an electrode. This type of method generally provides electronic percolation between the carbon grains if the proportion of carbon is sufficient, but it does not ensure ionic percolation (catalyst particles not covered with electrolyte). In addition, the carbon powders supporting catalyst particles, which are commercially available, have particle sizes increasing rapidly with the mass ratio already mentioned and are no longer suitable when this ratio exceeds%. The alternative constituted by the in situ electrochemical deposition of the catalyst has the advantage of carrying out electronic and ionic percolations, but if the deposition is carried out from species in solution in the ionomer of the active layer or from cations of Pt (NH3) 2+ type, even preadorbed on carbon by surface ion exchange, the mass percentages obtained cannot exceed 5 to 10%. If the species come from an external electrolyte the deposit is very

inhomogène et non utilisable.inhomogeneous and not usable.

La publication FR2744840 décrit un procédé de préparation 0o d'électrodes pour piles à combustible à membrane, dans lequel on effectue un dépôt électrochimique in situ à partir d'espèces préimprégnées sur le carbone, en particulier des aniors PtC162-; les deux percolations sont alors réalisées et les pourcentages massiques dépassent 20 % pour des tailles  The publication FR2744840 describes a process for the preparation of electrodes for membrane fuel cells, in which an electrochemical deposition is carried out in situ from species pre-impregnated on carbon, in particular from older PtC162-; the two percolations are then carried out and the mass percentages exceed 20% for sizes

de2 à5 nm.from 2 to 5 nm.

Cette méthode comportant une réduction électrochimique nécessite cependant une main d'oeuvre qualifiée et pour les électrodes de très grande surface des générateurs qui  This method involving electrochemical reduction, however, requires skilled labor and, for very large electrodes, generators which

pourraient s'avérer coûteux.could be costly.

La présente invention propose de remplacer la réduction électrochimique in situ par une simple réduction chimique in situ à température ordinaire obtenue par immersion de l'électrode dans une solution aqueuse saturée en hydrogène; cette réduction chimique peut aussi être obtenue, après constitution d'une électrode à gaz et montage de l'électrode à gaz dans une pile à combustible ou un électrolyseur, par  The present invention proposes to replace the electrochemical reduction in situ by a simple chemical reduction in situ at ordinary temperature obtained by immersion of the electrode in an aqueous solution saturated with hydrogen; this chemical reduction can also be obtained, after constitution of a gas electrode and mounting of the gas electrode in a fuel cell or an electrolyser, by

passage d'hydrogène gazeux dans ladite électrode à gaz.  passage of hydrogen gas through said gas electrode.

A cet effet, la présente invention propose un procédé de préparation d'électrodes pour piles à combustible à membrane et d'électrodes à gaz, par un mélange de carbone et d'une solution ionomère, dépôt du mélange sur un support carboné, caractérisé en ce que: - le carbone subit un traitement thermique puis est préimprégné avec une solution d'anions de platine avant mélange puis dépôt sur le support carboné pour constituer une électrode, - et en ce qu'on réalise la réduction du platine par voie chimique. 1o Selon l'invention, la réduction du platine par voie chimique est réalisée par immersion de l'électrode dans une solution  To this end, the present invention provides a method for preparing electrodes for membrane fuel cells and gas electrodes, by a mixture of carbon and an ionomer solution, depositing the mixture on a carbon support, characterized in what: - the carbon undergoes a heat treatment then is prepreg with a solution of platinum anions before mixing then deposit on the carbonaceous support to form an electrode, - and in that the reduction of the platinum is carried out chemically. 1o According to the invention, the reduction of platinum by chemical means is carried out by immersion of the electrode in a solution

aqueuse saturée en hydrogène moléculaire.  aqueous saturated with molecular hydrogen.

f Selon l'invention, le réducteur est de l'eau (ou une solution aqueuse) à température ordinaire saturée en hydrogène moléculaire. Selon l'invention, la réduction du platine par voie chimique peut aussi être réalisée en soumettant l'électrode à gaz à un  According to the invention, the reducing agent is water (or an aqueous solution) at ordinary temperature saturated with molecular hydrogen. According to the invention, the reduction of platinum by chemical means can also be carried out by subjecting the gas electrode to a

flux d'hydrogène gazeux.flow of hydrogen gas.

Selon l'invention, la solution de préimprégnation est une solution comportant des anions du type PtC162- ou tout autre  According to the invention, the prepreg solution is a solution comprising anions of the PtC162- type or any other

anion présentant des caractéristiques chimiques similaires.  anion with similar chemical characteristics.

Selon l'invention, la solution de préimprégnation contient de l'isopropanol. Selon l'invention, le carbone est traité par CO2 à chaud et  According to the invention, the prepreg solution contains isopropanol. According to the invention, the carbon is treated with hot CO2 and

refroidi brutalement ou traité sous gaz neutre à chaud.  brutally cooled or treated under hot neutral gas.

L'invention concerne aussi une pile PEMFC comportant au moins une électrode obtenue par un procédé comportant des  The invention also relates to a PEMFC battery comprising at least one electrode obtained by a method comprising

caractéristiques précédemment énoncées.  previously stated characteristics.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture des  The present invention will be better understood on reading the

exemples ci-après.examples below.

Pour que cette nouvelle méthode proposée de réduction chimique in situ donne des résultats équivalents à la réduction électrochimique in situ (exemple: diamètre de particules voisines de 3 nm et rapports massiques métal/(carbone + métal) égaux ou supérieurs à 30% dans le 0o cas du platine), le mode opératoire est le suivant: - prétraitement (pendant 30 à 60 min) de la poudre de carbone (ex: Vulcan): chauffage de la poudre à 930 C sous CO2 (nettoyage, "activation") suivi d'un refroidissement rapide sous C02 (pour éviter une fonctionnalisation trop poussée lors d'un refroidissement lent) ou sous gaz neutre; - imprégnation de la poudre de carbone (pendant plusieurs jours de préférence) avec un mélange contenant eau, isopropanol (pour améliorer le mouillage du carbone), solution récente d'un composé anionique du métal (ex: H2PtCI6), solution d'ionomère (ex: Nation) et/ou suspension de PTFE; - la réduction chimique est alors obtenue par simple immersion de l'électrode (pendant 2 ou 3 heures) (ex: tissu + couche de diffusion carbone + PTFE) portant une couche active carbone imprégné + PTFE et/ou ionomère dans de l'eau ou une solution aqueuse contenant de l'hydrogène dissous; la réduction chimique peut aussi être obtenue, après réalisation d'une électrode à gaz et montage de celle-ci dans une pile à combustible ou un électrolyseur, par passage d'hydrogène  So that this new proposed method of chemical reduction in situ gives results equivalent to electrochemical reduction in situ (example: diameter of particles close to 3 nm and mass ratios metal / (carbon + metal) equal to or greater than 30% in 0o case of platinum), the procedure is as follows: - pretreatment (for 30 to 60 min) of the carbon powder (eg Vulcan): heating the powder to 930 C under CO2 (cleaning, "activation") followed by '' rapid cooling under C02 (to avoid excessive functionalization during slow cooling) or under neutral gas; - impregnation of the carbon powder (preferably for several days) with a mixture containing water, isopropanol (to improve wetting of the carbon), recent solution of an anionic compound of the metal (ex: H2PtCI6), ionomer solution ( ex: Nation) and / or suspension of PTFE; - chemical reduction is then obtained by simple immersion of the electrode (for 2 or 3 hours) (eg fabric + carbon diffusion layer + PTFE) carrying an active layer of impregnated carbon + PTFE and / or ionomer in water or an aqueous solution containing dissolved hydrogen; chemical reduction can also be obtained, after producing a gas electrode and mounting it in a fuel cell or an electrolyser, by passing hydrogen

gazeux dans l'électrode à gaz.gas in the gas electrode.

Le procédé fournit un catalyseur non pollué, ne nécessite pas de main d'oeuvre très qualifiée et est applicable à de très grandes surfaces pour un coût minimal. La percolation électrochimique est assurée par le fait que tout le composé métallique est préimprégné / adsorbé sur le carbone; la réalisation de la percolation ionique, qui n'était pas évidente à priori, est obtenue par le fait que la poudre de carbone est préimprégnée avec la solution d'ionomère (cas des PEMFC et DMFC) et que l'hydrogène réducteur n'arrive sur le carbone portant le composé à réduire que là o la solution aqueuse  The process provides an unpolluted catalyst, does not require highly skilled labor and is applicable to very large areas at minimal cost. The electrochemical percolation is ensured by the fact that all the metallic compound is prepreg / adsorbed on the carbon; the ionic percolation, which was not obvious a priori, is obtained by the fact that the carbon powder is prepreg with the ionomer solution (case of PEMFC and DMFC) and that the reducing hydrogen does not arrive on the carbon carrying the compound to be reduced than where the aqueous solution

peut-être en contact avec lui.maybe in contact with him.

IO Exemple de fabrication usuelle d'une électrode On réalise dans un premier temps un prétraitement des poudres de carbone par traitement thermique. Ce traitement consiste en une montée progressive de la température jusqu'à 930 C, suivi d'un retour rapide à la température ambiante sous CO2 pour éviter une trop forte fonctionnalisation du carbone. On ajoute au carbone ainsi traité une solution d'acide chloroplatinique, puis après agitation, de l'isopropanol pour obtenir un bon mouillage du carbone et de l'eau. Dans le cas d'une électrode de pile à combustible à membrane échangeuse  IO Example of the usual fabrication of an electrode A pretreatment of carbon powders is first carried out by heat treatment. This treatment consists of a gradual rise in temperature to 930 C, followed by a rapid return to room temperature under CO2 to avoid excessive carbon functionalization. To the carbon thus treated is added a solution of chloroplatinic acid, then after stirring, isopropanol in order to obtain good wetting of the carbon and of the water. In the case of a fuel cell electrode with an exchange membrane

de protons une solution de Nation et une suspension de PTFE.  of protons a solution of Nation and a suspension of PTFE.

Par contre, dans le cas d'une électrode à électrolyte liquide,  On the other hand, in the case of an electrode with liquid electrolyte,

est ajoutée uniquement une suspension de PIFE.  only a suspension of PIFE is added.

L'ensemble est ensuite agité pendant plusieurs heures.  The whole is then stirred for several hours.

Cette préparation est ensuite déposée, par exemple par spray, sur une couche de diffusion qui est obtenue par pressage et par chauffage à 350 C pendant au moins deux heures d'un  This preparation is then deposited, for example by spray, on a diffusion layer which is obtained by pressing and by heating at 350 ° C. for at least two hours of

mélange du noir de carbone et de PTFE.  mixture of carbon black and PTFE.

L'électrode ainsi constituée est ensuite recuite à 150 C, puis réhydratée, avant immersion à température ordinaire et pendant quelques heures dans de l'eau (ou une solution  The electrode thus formed is then annealed at 150 ° C., then rehydrated, before immersion at ordinary temperature and for a few hours in water (or a solution

acide), saturée en hydrogène.acid), saturated with hydrogen.

Exemple 1:Example 1:

Préparation d'une petite électrode (quelques cm2) avec une couche active de 5 à 6 grm d'épaisseur (0,15 à 0,2 mg Pt/cm2) 1) 0,0250 g de carbone Vulcan XC72 activé à 950 C pendant min (perte de masse entre 27 et 32%)et sorti du four rapJidement sous CO2 pour obtenir une baisse brutale de  Preparation of a small electrode (a few cm2) with an active layer 5 to 6 grm thick (0.15 to 0.2 mg Pt / cm2) 1) 0.0250 g of Vulcan XC72 carbon activated at 950 C for min (loss of mass between 27 and 32%) and removed from the oven quickly under CO2 to obtain a sudden drop in

la température.temperature.

2) Ajout de 0,6 ml de H2PtCl6,6 H20 sur le carbone traité.  2) Addition of 0.6 ml of H2PtCl6,6 H2O on the treated carbon.

3) Agitation par ultrasons pendant au minimum 30 min.  3) Ultrasonic agitation for at least 30 min.

4) Ajout entre 1,5 ml et 2 ml d'isopropanol.  4) Add between 1.5 ml and 2 ml of isopropanol.

) Agitation de la solution pendant 30 min aux ultrasons.  ) Agitation of the solution for 30 min by ultrasound.

6) Ajout entre 1 et 1,5 ml d'H20 ultrapure.  6) Adding between 1 and 1.5 ml of ultrapure H20.

7) Agitation magnétique au minimum 24 heures.  7) Magnetic stirring at least 24 hours.

8) Ajout entre 40 et 60% de Nafion en masse par rapport au carbone.  8) Addition between 40 and 60% of Nafion by mass compared to carbon.

9) Agitation au minimum 30 min aux ultrasons.  9) Agitation at least 30 min with ultrasound.

) Dépôt par spray (par exemple) de cette solution sur une couche de diffusion préalablement préparée (constituée de  ) Spray deposition (for example) of this solution on a previously prepared diffusion layer (consisting of

noir de carbone et de PITFE).carbon black and PITFE).

11) Chauffage de l'ensemble à 150 C pendant 1/4 heure.  11) Heating of the assembly at 150 C for 1/4 hour.

12) Rinçage à l'eau 13) Immersion dans un solution d'eau (ou d'acide) saturée  12) Rinsing with water 13) Immersion in a saturated water (or acid) solution

en hydrogène moléculaire.into molecular hydrogen.

Exemple 2Example 2

Pour des quantités plus importantes de poudre de carbone On doit veiller: 1) Lors du traitement sous CO2, à. étaler le carbone à l'intérieur du four de façon que l'ensemble de la poudre  For larger quantities of carbon powder, care must be taken: 1) When processing under CO2, to. spread the carbon inside the oven so that all of the powder

réagisse avec le CO2.reacts with CO2.

2) Pour l'étape de préimprégnation, à agiter tout le volume de  2) For the prepreg stage, shake the entire volume of

la solution dans les mêmes conditions que précédemment.  the solution under the same conditions as above.

3) A aplanir la couche de diffusion (ou éventuellement déposer une couche de diffusion intermédiaire de quelques  3) Flatten the diffusion layer (or possibly deposit an intermediate diffusion layer of a few

grm d'épaisseur moins poreuse et plus plane).  grm less porous and more planar thickness).

Le passage à des électrodes de plusieurs dm2 ne pose pas de problème lors de la réduction chimique du sel de platine par l'hydrogène en solution et à température ordinaire ou par de  Switching to electrodes of several dm2 poses no problem during the chemical reduction of the platinum salt by hydrogen in solution and at ordinary temperature or by

l'hydrogène gazeux.hydrogen gas.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1) Procédé de préparation d'électrodes pour piles à combustible à membrane et d'électrodes à gaz, par un mélange de carbone et d'une solution ionomère, dépôt du mélange sur un support carboné, caractérisé en ce que: - le carbone subit un traitement thermique puis est préimprégné avec une solution d'anions de platine avant mélange puis dépôt sur le support carboné pour constituer 0o une électrode, - et en ce qu'on réalise la réduction du platine par voie chimique. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction du platine par voie chimique est réalisée par immersion de l'électrode dans une solution aqueuse saturée  1) Process for the preparation of electrodes for membrane fuel cells and of gas electrodes, by a mixture of carbon and an ionomer solution, deposition of the mixture on a carbon support, characterized in that: - the carbon undergoes a heat treatment then is pre-impregnated with a solution of platinum anions before mixing then depositing on the carbon support to constitute 0o an electrode, - and in that the reduction of the platinum is carried out chemically. 2) Method according to claim 1, characterized in that the reduction of platinum by chemical means is carried out by immersion of the electrode in a saturated aqueous solution en hydrogène moléculaire.into molecular hydrogen. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réducteur est de l'eau (ou une solution aqueuse) à  3) Method according to claim 2, characterized in that the reducing agent is water (or an aqueous solution) to température ordinaire saturée en hydrogène moléculaire.  ordinary temperature saturated with molecular hydrogen. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction du platine par voie chimique est réalisée en  4) Process according to claim 1, characterized in that the reduction of platinum by chemical means is carried out in soumettant l'électrode à gaz à un flux d'hydrogène gazeux.  subjecting the gas electrode to a flow of hydrogen gas. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications  ) Method according to any one of the claims précédentes, caractérisé en ce que la solution de préimprégnation est une solution comportant des anions du  above, characterized in that the prepreg solution is a solution comprising anions of type PtC162.type PtC162. 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications  6) Method according to any one of claims précédentes, caractérisé en ce que la solution de  previous, characterized in that the solution of préimprégnation contient de l'isopropanol.  prepreg contains isopropanol. o10o10 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications  7) Method according to any one of claims précédentes, caractérisé en ce que le carbone est traité par C02 à chaud et refroidi brutalement ou traité sous gaz neutre  above, characterized in that the carbon is treated with C02 when hot and brutally cooled or treated under neutral gas à chaud.hot. 8) Pile PEMFC comportant au moins une électrode selon l'une  8) PEMFC battery comprising at least one electrode according to one quelconque des revendications précédentes.  any of the preceding claims.
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