Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Langzeitstabile Phosphor dotierte Legierungs-Katalysatoren und Phosphor dotierte Kohlenstoff-Substrate für Hochleistungs-PEM-Brennstoffzellen durch Pulse-Plating-Abscheidung

Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Vorhabens wird es ermöglicht, neuartige, leitfähige und elektrochemisch hochstabile Katalysatorträger und -substrate auf Basis von phosphor-dotierten Kohlenstoffmaterialien herzustellen und darauf basierend für die Kathodenreaktion der PEM-Brennstoffzelle hochaktive Platinlegierungs-Elektrokatalysatoren auf Basis von phosphordotierten Platin, Palladium und Platin-Palladium-Legierungen mittels elektrochemischer Pulse-Plating-Abscheidung zu erzeugen. Dies ermöglicht die Entwicklung von neuen Elektrokatalysatoren mit niedriger Platin-Belegung, verbunden mit einer sehr hohen Ausnutzung des eingesetzten Platins in strukturell angepassten Kathoden-Katalysatorschichten. Um die Attraktivität der Brennstoffzellentechnik für automobile und andere Anwendungen weiter zu erhöhen, ist die Verringerung der Material- und Produktionskosten von Zell- und Systemkomponenten derzeit einer der wichtigsten F&E-Schwerpunkte. Das beantragte Vorhaben stellt vor allem wegen des geringeren Produktionsaufwands einen wichtigen Beitrag dar, von dem kleinere und mittelständische Zulieferer für die Automobilindustrie, Komponentenentwickler und Hersteller der Elektrokatalysatoren und Schichtstrukturen profitieren. Der Lösungsweg kombiniert verschiedene Strategien zur Beschichtung von kommerziellen Gasdiffusionselektroden mit phosphordotierten Katalysatorträgern mit einer anschließenden Precursor-Reduktion bzw. eine direkte Dotierung der Katalysatorträger mit einer anschließenden galvanischen Abscheidung von dotierten Katalysatoren. Dies garantiert, dass im Rahmen dieses Projektes nicht nur neuartige Gasdiffusionselektroden, sondern komplette Membran-Elektroden-Einheiten entwickelt werden, die dann in einem realen Brennstoffzellenbetrieb umfassend hinsichtlich ihrer Leistung und Stabilität qualifiziert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens werden direkt und indirekt Firmen aus den Bereichen Beschichtungstechnik und Katalysatorherstellung übermittelt.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Rahmen des Projektes entwickelten neuartigen phosphordotieren Kohlenstoffträger (C-P) zusammen mit den neuartigen elektrochemisch mittels Pulse-Platin-Technik abgeschiedenen Edelmetall-Phosphor-Katalysatoren (Pt-P), haben einen deutlich geringeren Materialbedarf für PEMFC-Elektroden, bedingt durch die geringe Flächenbelegung und der exakteren und homogeneren Verteilung des Katalysatormaterials auf der Gasdiffusionslage (GDL) zur Folge. Die galvanisch abgeschiedenen PT-P-Katalysatoren, zeigen zudem eine größere Beständigkeit und eine deutlich höhere Resistenz gegen CO-Vergiftung. Durch die Verhinderung der schädlichen H202-Bildung und der höheren Leistungsdichte ist eine maximal mögliche Brennstoffzellenleistung bei minimaler Katalysatorbelegung der Elektrode verbunden mit deutlich geringeren Herstellungskosten möglich. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Phosphordotierung des Katalysatorträgers als auch die Phosphordotierung des Pt-Katalysators signifikant den ohmschen und den Kathodenladungstransferwiderstand verringern. Eine mögliche Begründung könnte die größere elektrochemisch aktive Oberfläche, bedingt durch den Phosphor sein. Die Phosphordotierung im Trägersubstrat und im Edelmetallkatalysator verbessert signifikant die Leistungsfähigkeit und Alterungsbeständigkeit der Kathoden so dass sich deren Leistung der von kommerziellen Trägerkatalysatoren nähert. Entwickler können aufgrund der sehr homogenen Elektrodenstrukturen und der neuen Phosphordotierung in den Substraten und in den Katalysatorpartikeln, nun Brennstoffzellen bei gleichbleibender und zum Teil erhöhter Leistung kostengünstiger produzieren. Dies erlaubt es den Nutzern, Komponenten-, Brennstoffzellen- und Systementwicklern, bei einer relativ hohen Produktionsgeschwindigkeit und optimaler Materialausnutzung zu wirtschaftlichen Preisen leistungsstarke Gasdiffusionselektroden (GDL und MPL) zu produzieren und in Folgeprodukte wie Zellen und Stacks zu integrieren.