<Desc/Clms Page number 1>
Elektrode für Brennstoff- oder Hybridbrennstoffzellen
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Brennstoff- oder Hybridbrennstoffzellen, mit einer porösen, einen Katalysator enthaltenden Mittelschicht, innerhalb welcher im Betrieb die chemische Reaktion ab- läuft und an deren einer Seite, eine zweite, gegenüber den Poren in der Mittelschicht kleinere Poren aufweisende Schicht angeordnet ist, durch welche im Betrieb der Elektrolyt zur Mittelschicht gelangt, während an der andern Seite der Mittelschicht eine dritte poröse Schicht angeordnet ist, durch welche im Betrieb Oxydationsmittel oder Betriebsstoff in die Mittelschicht gelangt.
Bei Elektroden dieser Art ist die Porengrösse von Wichtigkeit und es treten bei der Herstellung derartiger Elektroden bisnun Schwierigkeiten auf. Besonders gross waren hiebei die Schwierigkeiten der Porenbildung in jener Schicht, durch welche im Betrieb Oxydationsmittel oder Betriebsstoff in die Mittelschicht gelangt. Diese Schwierigkeiten werden vermindert bzw. beseitigt, wenn gemäss der Erfindung die dritte Schicht aus einem Matetial besteht, das für den Elektrolyten undurchlässig ist, z. B. Polytetrafluoräthylen.
Als Hybridbrennstoffzellen werden solche Zellen betrachtet, bei welchen die Brennstoffelektrode durch eine Batterieplatte ersetzt ist, oder auch als eine alkalische Batterie, in welcher eine Batterieplatte durch eine Sauerstoffelektrode ersetzt ist.
Bei der erfindungsgemässen Elektrode ist es wichtig, dass jene poröse Schicht, die im Betrieb den Elektrolyten durchlässt, das Oxydationsmittel bzw. den Betriebsstoff nicht durchlässt, wogegen jene Schicht, die im Betrieb das Oxydationsmittel bzw. den Betriebsstoff durchlässt, den Elektrolyten nicht durchlässt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigen : die Fig. l-3 schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle zum Zwecke der Erläuterung der Funktionsweise, Fig. 4 schematisch eine erfindungsgemäss ausgebildete Elektrode und Fig. 5 rein schematisch und beispielsweise die Arbeitsweise einer Sauerstoffelektrode für eine Brennstoffzelle oder eine Hybrid-Brennstoffzelle.
Gemäss Fig. 1 weist eine bekannte Brennstoffzelle ein Paar poröser Elektroden --11 und 12-auf, welche die Zelle in drei Kammern-13, 14 und 15--teilen. Die mittlere Kammer-14-ist mit einem Elektrolytengefüllt. Der Kammer --13-- wird unter Druck ein oxydierendes Medium, üblicherweise Sauerstoff oder Luft, zugeführt. Der Betriebsstoff, gewöhnlich Wasserstoff, wird der Kammer-15- unter Druck zugeführt. Die Elektroden--11,12-- enthalten einen Katalysator zur Unterstützung der chemischen Reaktion zwischen dem Elektrolyten, dem Oxydationsmittel und dem Betriebsstoff. Durch diese Reaktion entsteht ein elektrischer Strom in einem Kreis zwischen den Elektroden.
Die Grösse der Poren ist hiebei von grosser Wichtigkeit. Werden die Kammern-13 und 15-- unter einen gegebenen Druck gesetzt, so würde das Vorhandensein zu grosser Poren, wie dies Fig. 2 zeigt, den Durchgang des Oxydationsmittels oder des Betriebsstoffes ermöglichen, ohne dass die gewünschte Aktivierung zustande käme. Wären jedoch anderseits die Poren zu klein, so würde, wie dies Fig. 3 verdeutlicht, der Betriebsstoff nicht in die Elektroden eindringen und der Elektrolyt durch die Poren in die Kammern --13 und 15-- gelangen. Weisen aber die Poren die richtige Grösse auf, so wird sowohl der Be-
<Desc/Clms Page number 2>
triebsstoff als auch das Oxydationsmittel zum Teil in die Poren eindringen, so dass Katalysator, Betriebsstoff und Oxydationsmittel miteinander in Kontakt kommen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
In einem Beispiel, das die Anwendung für eine Brennstoffzelle wiedergibt, weist die Zelle eine Ausbildung auf, wie sie in Fig. l wiedergegeben ist, wobei jede Elektrode, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, eine mittlere Schicht-16-mit Poren mittlerer Grösse und äussere Schichten-17 bzw. 18-- aufweist, welche kleine bzw. grosse Poren besitzen. Bei einer bestimmten Porengrösse der Mittelschicht-16-, können die Poren in der Schicht --17- demgegenüber kleiner sein, während die Poren in der für den Betriebsstoff oder das Oydationsmittel durchlässigen Schicht nicht unbedingt grösser sein müssen als die Poren in der Mittelschicht (Fig. 5).
Bei der Sauerstoffelektrode enthält die mittlere Schicht --16- den Katalysator und die Ausbildung ist so getroffen, dass bei dem im Betrieb zur Anwendung kommenden
EMI2.1
-17-- undurchlässigBetriebsstoff sein muss.
In Fig. 5 ist die Arbeitsweise einer Sauerstoffelektrode rein schematisch wiedergegeben. Hiebei sind nicht nur die drei Schichten der Elektrode voneinander getrennt dargestellt, sondern auch die Poren wiedergegeben, u. zw. in einer geringen Anzahl und von in jeder Schicht gleicher Grösse und sich lediglich in Querrichtung erstreckend. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass in Wirklichkeit innerhalb jeder Schicht eine komplexe Struktur von Poren vorhanden ist, die verschiedene Grösse aufweisen und sich nach allen Richtungen erstrecken. Trotzdem bilden die Poren Querdurchgänge und weisen eine mittlere Grösse auf. Fig. 5 veranschaulicht nur schematisch die relativen, mittleren Grössen der Poren in den drei Schichten.
Die Sauerstoffelektrode, die so hergestellt ist, wie dies Fig. 5 wiedergibt, soll bei einem alkalischen Elektrolyten zur Anwendung gelangen. Bei der Herstellung wird zuerst die mittlere Schicht-16durch Mischen eines Gewichtsteiles Silber, 0, 46 Teilen Raney-Silber (Silber mit ungefähr 12% Aluminium) und 0,35 Teilen Aluminium hergestellt. Diese Bestandteile sind pulverförmig und besitzen eine sol-
EMI2.2
dienen. Das Raney-Silber bildet den Katalysator.
Die Schicht --17-- wird dadurch gebildet, dass auf die Platte unter einem Druck von ungefähr
EMI2.3
Aluminium mit einer mittleren Teilchengrösse von 1 bis 2 aufgepresst werden. In Wirklichkeit befindet sich in der Schicht --17- mehr Aluminium als in den Zeichnungen dargestellt ist.
Die Schicht-18-wird durch auf der andern Seite der Schicht --16-- erfolgendes Aufpressen einer dünnen Schicht von Aluminiumpulver mit einer Teilchengrösse von 45hergestellt. Das Aufpressen er-
EMI2.4
ses Imprägnieren erfolgt durch Eintauchen der Platte in eine wässerige Dispersion von Polytetrafluoräthylen in einem evakuierten Kessel und darauffolgendes Trocknen bei 80 C bis die Poren in der äusseren Schicht mit Polytetrafluoräthylen gefüllt sind. Hernach wird die Platte mit Polytetrafluoräthylen bedeckt und gewischt. Polytetrafluoräthylen wird in die Schichten-16 und 17-- nicht eindringen, da sich in diesem Herstellungsstadium in diesen Schichten im wesentlichen keine Poren befinden, die bereits vorhandenen Poren jedoch zu klein sind, um die in der Dispersion befindlichen Teilchen von Polytetrafluoräthylen aufzunehmen.
Die Platte wird nunmehr auf 360 - 3800C erhitzt und 30 min lang auf dieser Temperatur gehalten.
Hernach wird durch Auslaugen aus der Platte eine Elektrode hergestellt. Das Auslaugen erfolgt in einer 30%gen Kaliumhydroxydlösung, in welcher die Platte mehrere Tage gelassen wird, um das Aluminium aus jeder der Schichten zu entfernen und solcherart die Elektrode porös zu machen. Die Tatsache, dass die Schicht --18-- undurchlässig für den Elektrolyten ist, bedeutet selbstverständlich nicht, dass das Aluminium aus der Schicht-18-durch Verwendung von Kaliumhydroxyd, welches ein gewöhnlicher Elektrolyt ist, nicht entfernt werden kann. Die Schicht --18-- wird nur dann für den Elektrolyten undurchlässig, wenn bei Verwendung ein vorbestimmter Sauerstoffdruck zur Anwendung gelangt.
<Desc/Clms Page number 3>
Wie bereits erläutert, kann eine auf die beschriebene Weise hergestellte Sauerstoffelektrode auch in einer Hybrid-Brennstoffzuelle, z. B. in einer Zink-Luft-Batterie verwendet werden.
Die Herstellung von Wasserstoffelektroden zum Auslaugen in einem alkalischen Elektrolyten ist ähnlich mit der Ausnahme, dass an Stelle des Raney-Silberkatalysators ein Raney-Nickelkatalysator oder ein Katalysator aus einer Palladium-Platin-Legierung verwendet wird. Werden Sauerstoff-und Wasserstoffelektroden zum Auslaugen in sauren Elektrolyten erzeugt, so wird ein ähnlicher Prozess angewendet. Es müssen dann jedoch Materialien zur Anwendung gelangen, die mit sauren Elektrolyten verträglich sind. Beispielsweise kann hiebei Silber durch Platin ersetzt werden.