Layer impregnation method : ein neues Verfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten für Brennstoffzellen

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die”layer impregnation method“, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten für Brennstoffzellen. Bei dieser Methode wird zunächst eine Elektrodenschicht aus einem Katalysatorträger erzeugt, welche dann mit einer katalysatorprecursorhaltigen Lösung imprägniert wird. Durch anschließende chemische Abscheidung bilden sich direkt in der Elektrodenschicht Katalysatorpartikel aus, die auf dem Katalysatorträger anhaften - so entsteht die einsatzbereite Katalysatorschicht. Nach dem Nachweis der prinzipiellen Durchführbarkeit des Konzeptes wurde untersucht, in welchem Maß die unterschiedlichen Prozessparameter die Qualität der Katalysatorschicht beeinflussen, und ob über das Verfahren Katalysatorschichten von wettbewerbsfähiger Qualität erzeugt werden können. Tatsächlich konnten Leistung und Lebensdauer des Industriestandards für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen erreicht werden, wobei die Edelmetallbeladung sogar um etwa 25% verringert werden konnte. Auch für die Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle wurde die firmeninterne Referenz mit etwa 20% geringerer Edelmetallbeladung an Leistung übertroffen. Neben geträgerten Platinkatalysatoren wurden auch geträgerte PtRu-Katalysatoren sowie PtPd-Katalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt und untersucht. Besonders intensiv wurde dabei der Einsatz von PtPd-Katalysatoren auf der DMFC-Kathode untersucht.

This work describes the”layer impregnation method“, a new fabrication process for catalyst layers for fuel cells. Using this process first an electrode layer is made using catalyst carrier, which is then impregnated with a solution containing catalyst precursor. During the following chemical deposition catalyst particles are created directly within the electrode layer, attached to the catalyst carrier - the final catalyst layer emerges. After proofing the concept the influence of different process parameters on the quality of the catalyst layer was investigated, and it was examined if the process allows for fabrication of competitive catalyst layers. Indeed, for the direct methanol fuel cell the industry standard’s power and lifetime have been reached while reducing the precious metal content by 25%. Also for the high temperature PEM fuel cell technology our company-internal reference was outperformed using 20% less precious metal. Besides supported platinum catalyst also supported PtRu-catalysts and PtPd-catalyst of different composition were manufactured and examined. Especially the use of PtPd-catalysts on the DMFC cathode was studied intensively.