Elektrochemische Synthese von Pt/Ru-Katalysatoren für den Reformatbetrieb von Brennstoffzellen

Die Entwicklung von Brennstoffzellen als Alternative zur Erzeugung von Energie aus fossilen Brennstoffen steht im Focus von Forschung und Industrie. Vor allem die Automobilindustrie beschäftigt sich mit der Integration der Proton-Exchange-Membrane (PEM) -Brennstoffzellen als Antrieb.

PEM-Brennstoffzellen oxidieren Wasserstoff bzw. ein wasserstoffreiches Brenngas an der Anode, wobei das Brenngas durch Reformierung hergestellt wird und trotz verschiedener nachgeschalteter Reinigungsstufen 1-2 % Kohlenmonoxid enthalten kann. Dieses Kohlenmonoxid vergiftet durch Adsorption den klassisch verwendeten Anodenkatalysator Platin.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines CO-toleranten Pt/Ru-Anodenkatalysators für PEM-Brennstoffzellen. Hierbei wurde ein Verfahren entwickelt, das gleichzeitig eine signifikante Verringerung der Edelmetallbeladung der Anode bei gleicher Leistung ermöglicht.

Im theoretischen Teil der Arbeit wird ein aktueller Überblick über Katalysatoren für Brennstoffzellensysteme sowie über die Platin- und Rutheniumabscheidung gegeben.

Der praktische Teil stellt die Entwicklung des Verfahrens zur elektrochemischen, potentiostatischen Koabscheidung von Platin und Ruthenium auf Kohlenstoffelektroden vor. Durch Nutzung der verschiedenen Abscheidepotentiale von Platin und Ruthenium gelang es, ein Abscheideprogramm bestehend aus einer Abfolge von Spannungspulsen zu entwickeln. Dieses Verfahren bietet einen Ansatz zur Katalysatorsynthese bei gleichzeitiger Beschichtung des Elektrodenträgers. In Anlehnung an Literaturangaben und experimentelle Beobachtungen wurde ein Modell formuliert, welches den Abscheidemechanismus beschreibt.

Einen Schwerpunkt der Arbeit stellt die Optimierung der Koabscheidung von Platin und Ruthenium auf dem Kohlenstoffsubstrat in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Badtemperatur des Elektrolyten, Konzentration der Edelmetallionen im Elektrolyten, u.a. dar. Die mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung erzeugten Modelle der verschiedenen Abhängigkeiten sind gut reproduzierbar, so daß entsprechend den Zielgrößen die Abscheideparameter optimiert gewählt werden können.

Die hergestellten Elektrodenkatalysatoren wurden auf die Zielgröße Leistung u.a. im Brennstoffzellenteststand im Wasserstoff//Luft-Betrieb nach Zugabe von 50 ppm CO zum Wasserstoff untersucht. Es wurde nachgewiesen, daß mit dem entwickelten elektrochemischen Abscheideverfahren aktive Katalysatoren hergestellt werden können. Bei Platin-Belegungen zwischen 72 und 1252 µg/cm² werden Leistungen (zwischen 582 und 656 mW/cm²) im Wasserstoff//Luft-Betrieb erreicht, die annähernd den Leistungen einer Elektrode mit einer Platin-Beladung von 4 mg/cm² entsprechen. Die Rutheniumbelegung dieser Elektroden lag zwischen 6 und 132 µg/cm². Alle Elektroden arbeiteten unter CO, wobei die erreichten Potentiale, welche sich nach Zugabe von 50 ppm CO zum Wasserstoff eingestellt hatten, zwischen 149 und 452 mV bei einer Stromdichte von 1 A/cm² lagen. Maßgeblich für eine hohe Leistung im Wasserstoff/CO//Luft-Betrieb ist entweder die Menge an abgeschiedenem Edelmetall oder alternativ das Verhältnis der beiden Metalle zueinander.

Neben i-U-Kennlinien wurden auch CO-Kennlinien, Airbleed-Kennlinien und Temperaturkennlinien aufgenommen und ausgewertet, um Erkenntnisse der Abläufe auf der Elektrodenoberfläche zu erhalten.