Kontinuierliche Edelmetallabscheidung auf kohlenstoffbasierten Trägermaterialien zur Herstellung von Katalysatoren für Brennstoffzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von kohlenstoffgeträgerten Pt-Katalysatoren mit der Polyol-Methode entwickelt. Hierbei wird das Reaktionsgemisch in einem elektrisch direktbeheizten Aufheizrohr innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne aufgeheizt und in einem nachgeschalteten isotherm beheizten Nachreaktionsrohr bei konstanter Temperatur ein vollständiger Umsatz erreicht. Der hinreichende Innendurchmesser der Aufheizrohre wurde mit Hilfe einer Modellrechnung bestimmt. Das Verfahren wurde zur Gewinnung von Katalysatoren mit vergleichsweise geringen Pt-Partikelgrößen bei vollständiger Pt-Abscheidung erfolgreich erprobt. Aufheizzeiten bis herab zu ca. 10 s können erreicht werden, bei im Mittel mehr als 95-%iger Annäherung an die Reaktionstemperatur. Eine Erreichung noch kürzerer Aufheizzeiten würde Aufheizrohre mit entsprechend geringerem Innendurchmesser erfordern, was aufgrund von Verstopfungserscheinungen durch agglomerierende Produktpartikel problematisch wäre. Eine vollständige Abscheidung des verfügbaren Platins gelingt mit der beschriebenen Methode bereits innerhalb kurzer Gesamt-Reaktionszeiten von weniger als 1 Minute, sofern die Aufheizzeit weniger als ca. 20 s beträgt. Die kontinuierlich hergestellten Katalysatoren weisen im Vergleich zu konventionell mit gleichen Reaktionsgemischen hergestellten Katalysatoren deutlich kleinere Pt-Partikel auf. Im Vergleich mit einem kommerziell angebotenen Produkt sind die enthaltenen Pt-Partikel im Mittel sogar um mehr als die Hälfte kleiner. Für die Abtrennung und Reinigung der Katalysatorproben wurde ein sehr einfaches, mit geringstem apparativem und personellem Aufwand verbundenes Verfahren entwickelt, das sich zu geringen Kosten auf größere Ansätze, auch im Produktionsmaßstab, hochskalieren ließe. Die gewonnenen Versuchsergebnisse legen den Schluss nahe, dass eine Verkürzung der Aufheizzeit bis herab auf etwa 10 s vermutlich zu besseren Produkten führt, eine weitere Verringerung der Aufheizzeit jedoch vermutlich keinen positiven Effekt mehr mit sich bringen würde. Angesichts vereinzelt aufgetretener Korrosionsprobleme in Form von Lochfraß an Teilen aus Edelstahl und Inconel, kommen diese Materialien nicht als Standardmaterialien für kommerzielle Reaktoren für den kontinuierlichen Polyol-Prozess in Betracht. Schlauchleitungen aus Silikon scheinen dagegen unproblematisch. Es besteht gute Aussicht, auf Basis der gewonnenen Ergebnisse eine Versuchsanlage im kommerziellen Maßstab aufzubauen und erfolgreich zu betreiben. Hierfür wäre z. B. ein System von parallelgeschalteten, elektrisch direkt beheizten Aufheizrohren zu entwickeln, mit hohen Anforderungen an die Strömungsverteilung und die Regelung der Heizströme. Die Entwicklung und Erprobung eines solchen Systems, in Verbindung mit der Erprobung potenziell korrosionsfesterer Materialien, wäre eine mögliche Zielsetzung für ein weiterführendes Forschungsprojekt. Des Weiteren ist es denkbar, dass das als Nebenergebnis entwickelte einfache und kostengünstige Aufbereitungsverfahren für die Katalysatoren auch im industriellen Maßstab erfolgreich angewendet werden kann. Ergebnisse von Untersuchungen an bei der Reinigung der Reaktionsrohre angefallenen Katalysatorresten eröffnen die Aussicht auf potenzielle neue Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren mit sehr hohem Pt-Gehalt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Continuous Fuel Cell Catalyst Preparation in a Tubular Reactor With Directly Heated Heating-Up Section. 47. Jahrestreffen deutscher Katalytiker, 12.-14.03.2014, Weimar
Grimm, H.; Kunz, U.
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Rohrreaktor mit direktbeheizter Aufheizstrecke zur kontinuierlichen Herstellung von edelmetallbasierten Katalysatoren für Brennstoffzellen. ProcessNet-Jahrestreffen Reaktionstechnik 2014, 28.-30.04.2014, Würzburg
Grimm, H.; Kunz, U.
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Continuous Fuel Cell Catalyst Preparation in a Directly Electrically Heated Tubular Reactor. Chem. Eng. Technol. 2015, 38, No. 10, 1758–1764
Grimm, H.; Kunz, U.
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Directly electrically heated tube for rapid heating-up of fluid reactant mixtures. 5th Conference of the FCS (Flow Chemistry Society), 17.-18.02.2015, Berlin
Grimm, H.; Kunz, U.
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Kontinuierliche Edelmetallabscheidung auf kohlenstoffbasierten Trägermaterialien zur Herstellung von Katalysatoren für Brennstoffzellen. Ausführlicher Ergebnisbericht zum DFG-geförderten Projekt
Grimm, H.; Kunz, U.
