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WO2001022508A1 - Anode für eine brennstoffzelle und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Anode für eine brennstoffzelle und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2001022508A1 PCT/DE2000/003169 DE0003169W WO0122508A1 WO 2001022508 A1 WO2001022508 A1 WO 2001022508A1 DE 0003169 W DE0003169 W DE 0003169W WO 0122508 A1 WO0122508 A1 WO 0122508A1
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an anode for a fuel cell with an active catalyst layer.
  • the invention relates to a method for producing such an anode.
  • a membrane or matrix containing an acid serves as the electrolyte.
  • a catalyst such as e.g. Platinum is used, which in the known systems (cf. K. Ledjeff: Fuel cell overview (p. 26) in K. Ledjeff, "Fuel cells” Müller Verlag, Heidelberg 1995) is preferably applied to carbon powder as a carrier.
  • a carbon paper which is preferably hydrophobic, is pressed between the catalyst layer and the bipolar plate, which conducts the current from and to the cell, in order to optimally collect and conduct the current there are still large electricity losses in the collection and management of the electricity, which adversely affect the overall efficiency of the fuel cell.
  • the object of the invention is to provide an anode in which the current conduction is improved and to provide a method for producing such an anode.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • An associated manufacturing process is the subject of claim 6. Further developments of the anode and the manufacturing process are specified in the respective dependent claims.
  • an anode for a fuel cell contains an active catalyst layer, with a support for the active catalyst layer being made of a metal and / or an alloy which is corrosion-resistant in the potential interval of the hydrogen electrode, the active catalyst for oxidation located on its surface.
  • active catalyst material is applied to a support which is corrosion-resistant in the potential interval of the hydrogen electrode.
  • the invention results in a high conductivity of the support and a low sheet resistance of the active catalyst and / or support layer, which have the effect that the current conduction from the anode to the bipolar plate is decisively improved.
  • An anode for a fuel cell is formed from an electrically conductive carrier and an active catalyst layer.
  • the catalyst layer is followed by a bipolar plate.
  • Active catalyst is catalyst material that is applied to one of the electrodes for oxidation or reduction so that the fuel cell reaction takes place. Can be found. At the anode, the active catalyst is preferably platinum and / or an alloy containing platinum with other metals of the noble metal group, such as ruthenium, rhodium, palladium, osmium and / or iridium.
  • An anode for a fuel cell comprises an active catalyst layer which is directly connected to the electrolyte and which is gas-permeable, a reaction chamber for the anode gas and an electrical conductor, e.g. a bipolar plate, which also serves to seal the reaction chamber from the environment.
  • the bipolar plate also referred to as "pole plate” for short, delimits a first fuel cell from the following second fuel cell, where a plurality of fuel cells form a fuel cell stack, which is usually referred to in the technical terminology as a stack.
  • the transport of electricity from and to the cell usually takes place via the bipolar plate.
  • a carbon paper is provided to reinforce the line between the active catalyst layer and the bipolar plate.
  • the carrier consists of silver and / or copper.
  • the catalyst is electrodeposited on the carrier.
  • the carrier is in the form of a powder which is coated.
  • the carrier is sputtered with catalyst.
  • the catalyst is deposited on the carrier by wet chemistry.
  • the carrier powder is mixed with the catalyst material.
  • the catalyst material is mixed with the catalyst material.
  • a hydrophobic polymer e.g. Teflon, applied for better connection of the catalyst to the carrier.
  • the invention improves power transportation within the
  • Fuel cell by replacing the catalyst support on the anode, which previously consisted of carbon powder that was unsatisfactorily conductive with electronically conductive metal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anode für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung verbessert den Stromtransport innerhalb der Brennstoffzelle, indem an der Anode der Träger für den Katalysator, der bislang aus elektronisch unbefriedigend leitendem Kohlepulver bestand, durch elektronisch gut leitendes Metall ersetzt wird.

Description

Beschreibung
Anode für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anode für eine Brennstoffzelle mit einer aktiven Katalysatorschicht. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anode.
In einer PEM-Brennstoffzelle wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, wobei Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden. An der Anode wird Wasserstoff zu einzelnen Wasserstoffionen (Protonen) oxidiert, die durch den Elektrolyten wandern und an der Kathode auf Sauerstoff-Ionen treffen, mit denen sie sich zu Wasser verbinden.
Als Elektrolyt dient beispielsweise eine Membran oder Matrix, die eine Säure enthält. Zur anodischen Oxidation wird an der Anode ein Katalysator, wie z.B. Platin, eingesetzt, der bei den bekannten Systemen (vgl. K. Ledjeff: Brennstoffzellen-ein Überblick (S. 26) in K. Ledjeff, „Brennstoffzellen" Müller Verlag, Heidelberg 1995) bevorzugt auf Kohlepulver als Träger aufgebracht wird. Gemäß der DE 29 51 965 C2 wird als Strom- kollektor an der Elektrode noch ein Kohlepapier, das bevorzugt hydrophobiert ist, zwischen die Katalysatorschicht und die, den Strom von und zu der Zelle leitende, Bipolarplatte gepresst, um den Strom optimal zu sammeln und zu leiten. Trotzdem gibt es noch große Stromverluste bei der Sammlung und Leitung des Stroms, die den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle nachteilig beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anode zu schaffen, bei der die Stromleitung verbessert ist und ein Verfahren zur Her- Stellung einer solchen Anode anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein zugehöriges Herstellungsverfahren ist Gegenstand des Patentanspruches 6. Weiterbildungen der Anode bzw. des Herstellungsverfahrens sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Erfindung enthält eine Anode für eine Brennstoffzelle eine aktive Katalysatorschicht, wobei für die aktive Katalysatorschicht ein Träger vorhanden ist, der aus einem Metall und/oder einer Legierung besteht, die im Potentialintervall der Wasserstoffelektrode korrosionsbeständig sind, wobei sich der für die Oxidation aktive Katalysator auf dessen Oberfläche befindet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Brennstoffzelle wird aktives Katalysatormaterial auf einen Träger, der im Potentialintervall der Wasserstoffelekt- rode korrosionsbeständig ist, aufgebracht.
Vorteilhafterweise ergibt sich durch die Erfindung eine hohe Leitfähigkeit des Trägers und ein niedriger Bahnwiderstand der aktiven Katalysator- und/oder Träger-Schicht , die bewirken, dass die Stromleitung von der Anode zur Bipolarplatte entscheidend verbessert ist. Als Potentialintervall der Was- serstoffelektrode wird der Bereich einer Elektrode mit einer Polarisation kleiner 100 mV, d.h. in einem Bereich 0-100 mV, verstanden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei ist eine Anode für eine Brennstoffzelle aus einem elektrisch leitfähigen Träger und einer aktiven Katalysatorschicht gebildet. Der Katalysatorschicht schließt sich eine Bipolarplatte an.
Als „aktiver Katalysator" wird Katalysatormaterial bezeichnet, das zur Oxidation oder Reduktion an einer der Elektroden aufgebracht wird, damit die BrennstoffZellenreaktion statt- finden kann. An der Anode ist der aktive Katalysator bevorzugt Platin und/oder eine Platin enthaltende Legierung mit anderen Metallen der Edelmetallgruppe wie Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium und/oder Iridium.
Eine Anode für eine Brennstoffzelle umfasst eine aktive Katalysatorschicht, die direkt an den Elektrolyten anschließt und die gasdurchlässig ist, eine Reaktionskammer für das Anodengas und einen Stromleiter, wie z.B. eine Bipolarplatte, die gleichzeitig dazu dient, die Reaktionskammer gegenüber der Umgebung abzuschließen.
Die Bipolarplatte, auch kurz als „Polplatte" bezeichnet, grenzt eine erste Brennstoffzelle von der folgenden zweiten Brennstoffzelle ab, wo bei einer Vielzahl von Brennstoffzellen ein Brennstoffzellenstapel gebildet wird, der in der Fachterminologie meist als Stack bezeichnet wird. Der Stromtransport von und zu der Zelle findet in der Regel auch über die Bipolarplatte statt.
Je nach Ausführungsform ist ein Kohlepapier zur Verstärkung der Leitung zwischen der aktiven Katalysatorschicht und der Bipolarplatte vorhanden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Anode besteht der Träger aus Silber und/oder Kupfer.
Zur Herstellung einer solchen Anode sind verschiedene Verfahren möglich. Wesentlich ist dabei, jeweils den aktiven Kata- lysator elektrisch leitend mit dem Träger zu verbinden.
Nach einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird der Katalysator auf dem Träger galvanisch abgeschieden.
Nach einer anderen Ausführungsform liegt der Träger als Pulver vor, das beschichtet wird. Nach einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird der Träger mit Katalysator besputtert.
Nach einer anderen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird der Katalysator nasschemisch auf den Träger abgeschieden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird das Trägerpulver mit dem Katalysatormaterial ver- mischt. In diesem Fall ergibt sich nach der Verarbeitung - zumindest teilweise - eine gemeinsame Schicht von Träger und Katalysator. Dabei kann eine Anbindung des Katalysators mit Hilfe eines hydrophoben Polymers, wie z.B. Teflon, vorteilhaft sein.
Nach einer Ausführungsform der Anode ist auf dem Träger ein hydrophobes Polymer, wie z.B. Teflon, zur besseren Anbindung des Katalysators an den Träger aufgebracht .
Die Erfindung verbessert den Stromtransport innerhalb der
Brennstoffzelle, indem an der Anode der Träger für den Katalysator, der bislang aus elektronisch unbefriedigend leitendem Kohlepulver bestand, durch elektronisch gut leitendes Metall ersetzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Anode für eine Brennstoffzelle mit einer aktiven Katalysatorschicht, wobei für die aktive Katalysatorschicht ein Träger, der aus einem Metall und/oder einer Legierung besteht, die im Potentialintervall der Wasserstoffelektrode korrosionsbeständig ist, vorhanden ist, wobei zumindest auf dessen Oberfläche sich die für die Oxidation aktive Katalysatorschicht befindet.
2. Anode nach Anspruch 1, der sich einer Bipolarplatte anschließt, wobei ein Kohlepapier zwischen der aktiven Katalysatorschicht und der Bipolarplatte vorgesehen ist.
3. Anode nach Anspruch 2, bei der das Kohlepapier mit einem hydrophobem Polymer behandelt ist.
4. Anode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Träger als Pulver vorliegt.
5. Anode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Träger Silber und/oder Kupfer ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Brennstoff- zelle gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem ein Material für die aktive Katalysatorschicht auf einen Träger, der im Potentialintervall der Wasserstoffelektrode korrosionsbeständig ist, aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Katalysatormaterial auf dem Träger galvanisch abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem der Träger mit Katalystormaterial besputtert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Katalysatormaterial nasschemisch auf dem Träger abgeschieden wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Katalysatormaterial zumindest teilweise mit Trägermaterial vermischt wird.
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