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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine
Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle mit katalytisch wirksamen Elektroden.
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Brennstoffzellen sind Energiewandler, die chemische Energie in elektrische Energie
umwandeln. In einer Brennstoffzelle wird das Prinzip der Elektrolyse umgekehrt. Man kennt
heute verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich im allgemeinen in der
Betriebstemperatur voneinander unterscheiden. Der Aufbau der Zellen ist aber prinzipiell bei allen
Typen gleich. Sie bestehen im allgemeinen aus zwei Elektroden, einer Anode und einer
Kathode, an der die Reaktionen ablaufen, und einem Elektrolyten zwischen den beiden
Elektroden. Dieser hat drei Funktionen. Er stellt den ionischen Kontakt her, verhindert den
elektrischen Kontakt und sorgt außerdem für das Getrennthalten der den Elektroden
zugeführten Gase. Die Elektroden werden in der Regel mit Gasen versorgt, die im Rahmen
einer Redoxreaktion umgesetzt werden. Beispielsweise werden die Anode mit Wasserstoff
und die Kathode mit Sauerstoff versorgt. Um dies zu gewährleisten, sind die Elektroden
mit elektrisch leitenden Gasverteilereinrichtungen kontaktiert. Dies sind insbesondere
Platten mit einer gitterartigen Oberflächenstruktur, bestehend aus einem System feiner
Kanäle. Die Gesamtreaktion lässt sich in allen Brennstoffzellen in einen anodischen und
kathodischen Teilschritt zerlegen. Hinsichtlich der Betriebstemperatur, dem eingesetzten
Elektrolyten und den möglichen Brenngasen gibt es Unterschiede zwischen den
verschiedenen Zellentypen.
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Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Niedertemperatur-Brennstoffzellen und
Hochtemperatursystemen. Die Niedertemperatur-Brennstoffzellen zeichnen sich im allgemeinen
durch eine sehr hohe Leistungsdichte aus. Allerdings ist ihre Abwärme wegen des geringen
Temperaturniveaus nur schlecht zu nutzen. Insofern sind diese Brennstoffzellen nicht für
nachgeschaltete Energiewandlungsprozesse nutzbar, sie sind hingegen für den mobilen
Einsatz durch eine dezentrale Anwendung kleiner Leistungen sinnvoll. Bei den
Hochtemperatursystemen können z. B. Kraftwerkstufen nachgeschaltet werden, um aus der
Abwärme elektrische Energie zu gewinnen oder sie als Prozesswärme zu nutzen.
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Insbesondere die Polymerelektrolytbrennstoffzelle und die phosphorsaure Brennstoffzelle
finden sowohl für die stationäre Anwendung als auch für mobile Einsatzzwecke derzeit
großes Interesse und stehen vor einer breiten Kommerzialisierung.
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Nach dem heutigen Stand der Technik weisen alle Brennstoffzellen gasdurchlässige,
poröse, sogenannte dreidimensionale Elektroden, auf. Diese werden unter dem Sammelbegriff
Gasdiffusionselektroden (GDE) geführt. Durch diese Elektroden hindurch werden die
jeweiligen Reaktionsgase bis nahe an den Elektrolyten geführt. Der bei allen
Brennstoffzellen vorhandene Elektrolyt stellt den ionischen Stromtransport in der Brennstoffzelle sicher.
Er hat zudem die Aufgabe, eine gasdichte Barriere zwischen den beiden Elektroden zu
bilden. Darüber hinaus garantiert und unterstützt der Elektrolyt eine stabile 3-Phasen-
Schicht, in welcher die elektrolytische Reaktion stattfinden kann. Die
Polymerelektrolytbrennstoffzelle setzt organische Ionenaustauschermembranen, in den technisch realisierten
Fällen insbesondere perfluorierte Kationenaustauschermembranen, als Elektrolyte ein.
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Gemäß dem Konzept heutiger Brennstoffzellen werden die Reaktionsgase über ein
Gasverteilersystem von der Rückseite der Elektrode, d. h. der jeweils von der Gegenelektrode
abgewandten Seite, der elektrochemisch aktiven Zone zugeführt. Unter Last erfolgen
sowohl der Gastransport als auch die Ionenmigration senkrecht zur vorgegebenen
Elektrodengeometrie.
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Als problematisch unter Betriebsbedingungen hat sich die kathodische Reduktion des
Sauerstoffs erwiesen: Am kathodischen Elektrodenmaterial der Brennstoffzelle, wie es im
Stand der Technik beschrieben wird, werden hochreaktive peroxidische Sauerstoffspezies
(zum Beispiel HO., HOO.) gebildet, die zur protonendurchlässigen Membran diffundieren
und diese irreversibel schädigen. Entsprechende Degradationsprozesse werden zum
Beispiel in EPR investigation of HO. radical initiated degradation reactions of sulfonated
aromatics as model compounds for fuel cell proton conducting membranes, G. Hübner, E.
Roduner, J. Mater. Chem., 1999, 9, S. 409-418 beschrieben.
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Aufgrund dieser Degradationsprozesse ist derzeit der Einsatz perfluorierter
Kationenaustauschermaterialien als Elektrolyt notwendig. Diese Materialien zeichnen sich zwar
durch eine gewisse Resistenz gegenüber peroxidischen Spezies aus, haben aber die
Nachteile der hohen Kosten, der aufwendigen Herstellung durch Handhabung von Fluor
oder anderen Fluorierungsmitteln und sind ökologisch bedenklich, da eine Aufarbeitung
und/oder Rezyklierung nicht möglich sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, bei der die
dem beschriebenen Arbeitsprinzip heutiger Brennstoffzellen innewohnenden Nachteile
vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennstoffzelle mit zwei Elektroden und
einer Ionenaustauschermembran gelöst, wobei die Elektroden mit jeweils einer
elektrokatalytischen Schicht und mit jeweils mindestens einer Gasführung für ein Reaktionsgas
versehen und die jeweilige elektrokatalytische Schicht enthält dabei mindestens einen
Standardkatalysator. Die Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein
Additiv aufweist, das die Bildung von Peroxiden unter Brennstoffzellenbedingungen
verhindert und/oder Peroxide zersetzt. Insbesondere weisen die Elektroden mit den
elektrokatalytischen Schichten mindestens ein Additiv auf
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Unter einem Standardkatalysator ist in diesem Zusammenhang ein Katalysator zu
verstehen, der im Stande der Technik in den elektrokatalytischen Schichten von Brennstoffzellen
enthalten ist und zur Herabsetzung der Aktivierungsenergie für die
Brennstoffzellenreaktion benötigt wird. Es werden beispielsweise Edelmetalle als Standardkatalysatoren
eingesetzt, insbesondere Platin.
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Es wurde gefunden, dass durch gezielt am bzw. im Elektrodenmaterial eingebrachte
Additive, die deperoxidationsaktive Eigenschaften aufweisen, die Lebens- bzw. Betriebsdauer
und Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen nachhaltig erhöht werden. Unter
deperoxidationsaktiv ist dabei die Eigenschaft zu verstehen, dass die Bildung von Peroxiden verhindert
wird und bereits gebildete Peroxide nachträglich zersetzt werden. Peroxide sind in diesem
Zusammenhang alle Verbindungen von dem Typ R-O-O-R und die dazugehörigen
Radikale (RO. oder ROO.), wobei R bevorzugt für H steht. Beispielsweise ist HOO. ein
peroxidisches Radikal zu H2O2 (Wasserstoffperoxid). Durch Anbringung geeigneter
deperoxidationsaktiver Verbindungen und/oder Elemente in oder an den Brennstoffzellenelektroden
erfolgt überraschenderweise unter Brennstoffzellenbedingungen ein rascher Abbau bzw.
eine Unterdrückung der Bildung der Peroxide. Eine irreversible Schädigung der
Ionenaustauschermembran durch reaktive Peroxide wird nicht mehr beobachtet. Dies ist überraschend,
da gemäß dem Prinzip der Mikroreversibilität Stoffe, die Peroxide zersetzen, auch
Peroxide bilden können. Beispielsweise fungiert Platin unter Brennstoffzellenbedingungen
als Peroxidbildner aufgrund der permanenten Zufuhr von O2. Unter anderen Bedingungen
wird es zur Peroxidzersetzung eingesetzt. Erst durch Einbringen weiterer
deperoxidationsaktiver Additive gelingt es, die in der Brennstoffzelle am Platin gebildeten Peroxide zu
zersetzen bzw. ihre Bildung zu unterdrücken.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von mindestens einem Additiv
in oder an Elektroden einer Brennstoffzelle mit einer Ionenaustauschermembran, wobei die
Elektroden mit jeweils einer elektrokatalytischen Schicht und mit jeweils mindestens einer
Gasführung für ein Reaktionsgas versehen sind. Dabei dient das mindestens eine Additiv
zur Verhinderung der Bildung oder zur Zersetzung von Peroxiden an oder in den
Elektroden.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die Wirtschaftlichkeit, der Wirkungsgrad und
Lebensdauer der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gegenüber den bisher bekannten
Brennstoffzellen erheblich verbessert. Ferner werden durch die Vermeidung des Auftretens
von aggressiven Peroxiden die chemischen Stabilitätsanforderungen an die
Kationenaustauschermembranen reduziert und die Verwendung ökologisch unbedenklicher,
kostengünstiger herkömmlicher Materialien ermöglicht.
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Im Stand der Technik sind zahlreiche Beispiele für deperoxidationsaktive Elemente und
Verbindungen beschrieben, die sich als Additive bei der vorliegenden Erfindung eignen.
Als Aktivkomponenten für solche Elemente und Verbindungen werden hauptsächlich die
Metalle Co, Fe, Cr, Mn, Cu, V, Ru, Pd, Ni, Mo, und W genannt. Die genannten Metalle
werden sowohl als homogene Katalysatoren, in Form von Salzen, Oxiden oder
metallorganischen Komplexen, als auch in heterogenisierter Form in Verbindung mit verschiedenen
Trägersubstanzen (z. B. C, SiO2, Al2O3, Zeolithe, Heteropolysäuren) eingesetzt.
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Folgende Veröffentlichungen geben auszugsweise einen Überblick diesen Stand der
Technik:
Die US 3,053,857 lehrt, dass die bei der Synthese von Glycidsäureamid verbleibenden
Peroxide mit Palladium auf Kohle zerstört werden.
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In der EP-A 0 025 608 wird beschrieben, dass Peroxide wie Na-Perborat oder H2O2 durch
Schwermetalle enthaltende Materialien, wie Zeolithe oder Bentonite, die Cu, Mn, Ni, V
oder Fe enthalten, zersetzt werden können.
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EP-A 0 215 588 beschreibt die Entfernung von restlichen Peroxiden des t-Butanols mit
Ni-, Pt- und/oder Pd-Katalysatoren.
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US 4,551,553 beschreibt die Zerstörung von Hydroperoxiden mit homogenen Cr/Ru-
Katalysatoren.
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US 3,306,846 empfiehlt die Peroxidentfernung in Benzinen mit Hilfe von PbO2 oder
MnO2.
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DE-A 43 33 328 beschreibt ein katalytisches Verfahren zur kontrollierten Zersetzung von
(organischen) Peroxiden. Als Katalysatoren werden Mischungen von Oxiden der Elemente
Mn, Cu, Fe, Ni, Co, Ce, Mo, V und W genannt.
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In Selective decomposition of cyclohexyl hydroperoxide to cyclohexanone catalyzed by
chrbmium aluminophosphate-5, J. D. Chen, J. Dakka, R. A. Sheldon, Applied Catalysis A:
General, 108 (1994) LI-L6 wird die selektive Zerstörung von Cyclohexylhydroperoxid an
Cr-substituierten Aluminophosphaten beschrieben.
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Anhand der Zeichnung wird die vorliegende Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Brennstoffzelle gemäß
dem Stand der Technik.
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In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 1 nach dem heutigen
Stand der Technik gezeigt. Im allgemeinen besteht eine derartige Brennstoffzelle 1 aus
zwei sich gegenüberstehenden gasdurchlässigen, porösen Elektroden 2, die unter dem
Begriff Gasdiffusionselektroden (GDE) bekannt sind. Sie umfassen ein poröses, elektrisch
leitendes Substrat 3 und eine elektrokatalytische Schicht 4. Innerhalb des vorgesehenen
Spaltes 5 zwischen den Elektroden 2 befindet sich eine Membran 6. Diese Membran
beinhaltet gleichzeitig den Elektrolyten. Der Elektrolyt stellt den ionischen Stromtransport in
der Brennstoffzelle sicher. Er bildet eine gasdichte Barriere zwischen den beiden
Elektroden 2 und bildet somit eine elektrochemisch aktive Zone, innerhalb welcher die
Elektrolyse stattfinden kann. In Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen werden organische
Ionenaustauschermembranen, beispielsweise perfluorierte Kationenaustauschermembranen eingesetzt.
Der innige Kontakt zwischen der Membran 6 und den Gasdiffusionselektroden 2 wird
durch aufwendige Techniken, zum Beispiel durch "Hot-Pressing" und weitere Teilschritte
erreicht. Die Reaktionsgase 7 werden über Gasverteilersysteme von der Rückseite der
Elektrode 2, d. h. der jeweils von der Gegenelektrode abgewandten Seite, der
elektrochemisch aktiven Zone zugeführt. Somit laufen Gastransport 8 (dicke, einsinnige Pfeile) und
Ionentransport 9 (dicker Doppelpfeil) insgesamt parallel. Zwei Schlüsselkomponenten,
insbesondere des Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzellentyps, sind somit
die kostenintensive protonendurchlässige organische Ionenaustauschermembran 6, die
bislang eine hohe Sensibilität gegenüber Verunreinigungen und/oder reaktiven chemischen
Verbindungen aufweist, sowie die elektrokatalytische Schicht 4 der Elektroden 2, die einen
hohen Gehalt an Pt (20 Gew.-%) sowie gegebenenfalls weiteren Edelmetallen, z. B. Ru
aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens
eine Additiv, das die Bildung von Peroxiden verhindert und/oder Peroxide zersetzt,
Bestandteil der elektrokatalytischen Schicht 4. Da die einzelnen Teilelektroden vor dem
Zusammenbau zur Gesamtelektrode 2 beliebig bearbeitbar sind, können sie in geeigneter
Weise mit Katalysatoren versehen werden. Dies geschieht insbesondere durch
Beschichtung mit elektrokatalytisch wirksamen Materialien (Standardkatalysatoren), beispielsweise
mit Edelmetallen wie Platin, Palladium, Silber, Ruthenium oder Iridium oder
Kombinationen daraus und mit deperoxidationsaktiven Verbindungen und/oder Elementen.
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Dies kann insbesondere durch galvanische Beschichtungen und/oder stromlose
Metallabscheidungen und/oder Fäll- und/oder Tränktechniken etc. wie sie im Stand der Technik
beschrieben sind, erfolgen.
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Die elektrokatalytische Schicht 4 enthält demnach mindestens einen Standardkatalysator.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das mindestens
eine Additiv Bestandteil der mindestens einen Standardkatalysator enthaltenden
elektrokatalytischen Schicht 4 ist, liegt das mindestens eine Additiv bezogen auf den mindestens
einen Standardkatalysator bevorzugt in einem Massenverhältnis von 1 : 10 bis 1 : 0,5,
besonders bevorzugt in einem Massenverhältnis von 1 : 5 bis 1 : 1 vor.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen das
mindestens eine Additiv als Beschichtung der Elektroden 2 vor. In einer anderen
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Additiv
jeweils in den gesamten Elektroden 2 verteilt.
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Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Additiv zur Verhinderung der Bildung oder
Zersetzung von Peroxiden mindestens ein Element oder mindestens eine Verbindung aus
den Gruppen der metallischen Übergangselemente des Periodensystems der Elemente, also
aus den Gruppen IIIb, IVb, Vb, VIb, VIIb, VIIIb, Ib und IIb oder mindestens ein
metallisches Element oder mindestens eine Verbindung aus der 4. Hauptgruppe (IVa) des
Periodensystems der Elemente. Das mindestens eine Additiv enthält insbesondere mindestens
eines der Elemente Co, Fe, Cr, Mn, Cu, V, Ru, Pd, Ni, Mo, Sn oder W. Diese Elemente
weisen die notwendigen deperoxidationsaktiven Eigenschaften auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die in dem
mindestens einen Additiv enthaltenen Elemente in elementarer Form und/oder in Form von
Salzen vor. Die Elemente können diskret oder als Legierungsbestandteile in oder an den
Elektroden vorliegen. Ferner können die in dem mindestens einen Additiv enthaltenen
Elemente in Form von Oxiden und/oder metallorganischen Komplexen vorliegen. Denkbar
sind auch Kombinationen aller genannten Formen der in dem mindestens einen Additiv
enthaltenen Elemente. Vorzugsweise liegen die in dem mindestens einen Additiv
enthaltenden Elemente und/oder Verbindungen in heterogenisierter Form in Verbindung mit
mindestens einer Trägersubstanz vor. Es wird bevorzugt eine Trägersubstanz aus der
Gruppe C, SiO2, Al2O3, Zeolithe und Heteropolysäuren gewählt.
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Die in der vorliegenden Erfindung zur Verwendung kommenden
Ionenaustauschermaterialien können zum Beispiel folgende Polymermaterialien oder Mischungen daraus
enthalten:
Per- und/oder teilfluorierte Polymere wie Nation® (Dupont; USA), "Dow Experimental
Membrane" (Dow Chemicals, USA), Aciplex-S® (Asahi Chemicals; Japan); Raymion®
(Chlorine Engineering Corp.; Japan); "Raipore R-1010" (Pall Rai Manufacturing Co.;
USA).
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Bevorzugt sind jedoch solche Polymermaterialien, die keine fluorierten Bestandteile
enthalten, z. B. sulfonierte Phenol-formaldehyd Harze (linear oder verknüpft); sulfoniertes
Polystyrol (linear oder verknüpft); sulfonierte Poly-2,6-diphenyl-1,4-phenylenoxide;
sulfonierte Polyarylethersulfone; sulfonierte Polyarylenethersulfone; sulfonierte
Polyaryletherketone; phophonierte Poly-2,6-dimethyl-1,4-phenylenoxide.
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Besonders bevorzugt solche Polymermaterialien, die folgende Bestandteile (oder
Mischungen daraus) enthalten:
Polybenzimidazol-Phosphorsäure; sulfonierte Polyphenylene; sulfoniertes
Polyphenylensulfid; polymere Sulfonsäuren des Typs Polymer-SO3X (X = NH4 +, NH3R+, NH2R2 +,
NHR3 +, NR4 +).
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Zusätzlich zu den oben aufgeführten Polymermaterialien können die zur Verwendung
kommenden Ionenaustauschermaterialien weitere anorganische und/oder organische
Bestandteile (z. B. Silikate, Mineralien, Tone, Silikone) enthalten, die die Eigenschaften des
Ionenaustauschermaterials (z. B. Leitfähigkeit) positiv beeinflussen.
Versuchsbeispiele
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Für die nachfolgend aufgeführten Beispiele wurden erfindungsgemäße Brennstoffzellen
mit deperoxidationsaktive Additive enthaltenden Elektrokatalysatoren sowie mit
Vergleichskatalysatoren (Standardkatalysatoren) hergestellt und verwendet. Die Katalysatoren
mit Additiven, die die Bildung von reaktiven Peroxiden unter
Brennstoffzellenbedingungen unterdrücken, und die Vergleichskatalysatoren (Standardkatalysatoren) aus dem Stand
der Technik werden im folgenden bezüglich ihrer (elektro)chemischen Eigenschaften in
der Anwendung für Brennstoffzellen miteinander verglichen. Als Trägermaterial für die
Elektrokatalysatoren in den erfindungsgemäßen Brennstoffzellen wurde der Furnace-Ruß
XC-72 des Herstellers Cabot Inc. (Boston, Massachusetts) verwendet. Die
Partikelgrößenbestimmung der Metallkristallite der Elektrokatalysatoren wurde mittels Röntgenbeugung
vorgenommen.
Beispiel 1
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Es wurden 3,93 g Cu(II)-Acetat, 14,97 g Äthylendiamintetraessigsäure, z. B. Titriplex® II
und 10 ml wässrige Ammoniaklösung (25 gew.-%ig) mit voll entsalztem H2O auf 200 ml
Gesamtlösung aufgefüllt. Dazu wurde eine Suspension von 10 g Vulcan XC-72 Furnace
Ruß des Herstellers Cabot Inc. (Boston, Massachusetts) in 50 ml voll entsalztem H2O sowie
0,1 ml Pyridin und 2,9 ml wässrigem Formaldehyd (37 gew.-%ig) hinzugegeben. Mit
wässriger Natronlauge (40 gew.-%ig) wurde ein pH-Wert von 12 eingestellt. Die
Reaktionsmischung wurde 1 h auf 70°C erwärmt. Anschließend wurde der Katalysator über eine
Glasfritte abgesaugt, 4 h bei 80°C getrocknet und 2 h bei 200°C calciniert.
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Zur Pt-Abscheidung wurden in einer 500 ml-Rührapparatur 4,94 g wässrige
Hexachloroplatinsäurelösung (25 gew.-%ig) und 150 ml voll entsalztes H2O vorgelegt, der Cu-
haltige Ruß hinzugegeben und für 2 h bei 85°C gerührt. Danach wurde mit HCl-Lösung
(10 gew.-%ig) pH 2,75 eingestellt. Nach Zugabe von 3,40 g wässriger Na-Acetatlösung
(25 gew.-%ig) und 8 ml konz. Ameisensäure wurde 24 h gerührt, der Katalysator über
eine Glasfritte abgesaugt und mit 1000 ml voll entsalztem H2O neutral gewaschen und 4 h
bei 80°C getrocknet. Der erhaltene Elektrokatalysator weist einen Platin- und einen
Kupfergehalt von jeweils 10 Gew.-% auf. Die Röntgenanalyse an diesem Material belegt klar
das Vorliegen eines legierten Pt/Cu-Systems (Pt/Cu-Kristallitgröße: 3,0 nm);
Beugungsreflexe der reinen Metalle sind dabei nicht vorhanden.
Beispiel 2
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In Analogie zu Beispiel 1 wurde ein Elektrokatalysator hergestellt, der 20 Gew.-% Platin
und 5 Gew.-% Kupfer enthält. Die Pt/Cu-Kristallitgröße beträgt 3,5 nm.
Beispiel 3
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In Analogie zu Beispiel 1 wurde ein Elektrokatalysator hergestellt, der 10 Gew.-% Platin
und 5 Gew.-% Kupfer enthält. Die Pt/Cu-Kristallitgröße beträgt 3,1 nm.
Beispiel 4
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In Analogie zu Beispiel 1 wurde ein Elektrokatalysator hergestellt, der 20 Gew.-% Platin
und 5 Gew.-% Zinn enthält. Die Pd/Cu-Kristallitgröße liegt bei 4 nm.
Beispiel 5
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5,58 g Manganacetat wurden in 50 ml voll entsalztem H2O gelöst. Anschließend wurden
10 g Vulcan XC-72 Furnace Ruß entsprechend der Wasseraufnahme mit dieser Lösung
getränkt. Nach 2 h Standzeit wurde das Material über eine Glasfritte abgesaugt, 4 h bei
80°C getrocknet und 2 h bei 250°C calciniert. Anschließend wurde, wie unter Beispiel 1
beschrieben, Platin auf dieses Material abgeschieden. Man erhielt einen Elektrokatalysator,
der 10 Gew.-% Platin und 10 Gew.-% Mangan enthält. Die Platinkristallitgröße liegt bei
4, 8 nm.
Vergleichsbeispiel V1
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Für Vergleichsversuche wurde ein kommerziell erhältlicher Pt-Trägerkatalysator (des
Herstellers E-TEK Div. Of De Nora Inc., Sommerset, NJ) (Pt-Gehalt: 20 Gew.-%)
herangezogen. Er repräsentiert den Stand der Technik auf diesem Gebiet.
Vergleichsbeispiel V2
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Die Synthese des Katalysators erfolgte in Analogie zu dem in EP-A 1 079 452 in
Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Katalysator unter Verwendung von Vulcan XC-72 Furnace
Ruß. Die Kristallitgröße der Pt-Kristallite beträgt 3,8 nm.
Ergebnisse zu den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen V1 und V2
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Die Elektrolytkatalysatoren wurden für die elektrochemische Charakterisierung zu einer
Membran-Elektroden-Einheit verarbeitet. Die Kathoden- und Anoden-Katalysatoren
wurden gemäß des in US 5,861,222 beschriebenen Verfahrens (dortiges Vergleichsbeispiel 1)
auf eine ionenleitfähige Membran (Neosepta CMX, Hersteller: Tokuyama Europe GmbH,
Düsseldorf, Basis sulfoniertes Polystyrol) aufgebracht. Die so beschichtete Membran wird
zwischen zwei leitfähige hydrophobierte Kohlepapiere (Hersteller: Toray Industries Inc.,
Tokio) gelegt. Die Belegung der Kathoden- und Anodenseite beträgt jeweils 0,25 mg
Platin/cm2. Die so erhaltenen Membran-Elektroden-Einheiten wurden in einer PEM-
Einzelzelle (Druckloser Betrieb, Temperatur 80°C) vermessen, wobei eine Zellspannung
von 700 mV eingestellt wurde.
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In der folgenden Tabelle ist die Zell-Leistung nach 100 und nach 1500 Betriebsstunden für
die jeweils verwendeten Katalysatoren aufgeführt:
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Bei 700 mV und in der Zeit zwischen 100 und 1500 Betriebsstunden lässt die Zell-
Leistung bei Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiele) nach.
In Vergleichsbeispiel 1 nimmt sie um 24% und in Vergleichsbeispiel 2 um 28% ab. Die
erfindungsgemäßen Brennstoffzellen (Beispiele 1 bis 5) zeigen jedoch keine
Degradationseffekte. Die Zell-Leistung bei den erfindungsgemäßen Brennstoffzellen bleibt im Rahmen
der Messfehler in der Zeit zwischen 100 und 1500 Betriebstunden unverändert. Durch die
vorliegende Erfindung werden die Wirtschaftlichkeit, der Wirkungsgrad und Lebensdauer
der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gegenüber den bisher bekannten Brennstoffzellen
erheblich verbessert.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelle
2 Elektroden
3 Substrat
4 elektrokatalytische Schichten
5 Spalt
6 Membran
7 Reaktionsgase
8 Gastransport
9 Ionentransport