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Gasdiffusionselektrode
Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode für elektrochemische Generatoren mit einem porösen metallischen Träger, auf den ein Überzug aus aktivem Material aufgetragen ist, in dessen Niveau die elektrochemischen Reaktionen ablaufen, wobei zur Zufuhr des Reaktionsgases an die Elektrode ein in den Träger mündendes Metallrohr vorgesehen ist.
Das Prinzip der Gasdiffusionselektrode ist bekannt Diese ist mit einer zweiten Elektrode in einem geeigneten Elektrolyten zusammengefasst und kann ein Element zur wirtschaftlichen Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Brennstoffgas, wie Wasserstoff und einem die Verbrennung bewirkenden Gas, wie Sauerstoff, bilden.
Diese Elektroden besitzen eine Porosität, die es ihnen mit Hilfe des Gases bei einem bestimmten Druck ermöglicht, die Kapillarkräfte des Elektrolyten auszugleichen. Sie bilden so eine Gesamtheit von mehreren Phasen im Inneren der Elektrode.
Die technologischen Probleme zur Verwirklichung einer Gasdiffusionselektrode für Brennstoffelemente sind vielfältig und kompliziert, insbesondere was die Gaszufuhrvorrichtungen oder die Entnahme des hervorgerufenen Stromes und die Abdichtung zwischen den einzelnen Zellen anbelangt. Ausserdem muss die Elektrode unbedingt mechanisch genügend widerstandsfähig sein, was aber ein grosses Gewicht des Elementes zur Folge hat
Durch die franz. Patentschrift Nr. 1. 343. 450 ist bereits eine Gasdiffusionselektrode bekanntgeworden, die einen gasdurchlässigen Träger umfasst, der eine Gasverteilungskammer bildet und zwei aktive Schichten aufweist, auf deren Niveaux sich die elektrochemischen Reaktionen abspielen.
Hiebei kann der Träger aus Silberpulver gebildet werden, dem zur Gewährleistung einer Porosität eine in Wasser lösliche Substanz zugefügt wird, wobei das ganze gepresst und gesintert wird, bevor der Stoff, der diePorosität bewirkt, durch Auswaschen entfernt wird. Darüber hinaus kann dieser Träger aus einem metallischen Gitter bestehen, das in allen Richtungen für das Gas durchlässig ist.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Gasdiffusionselektrode mit einem skelettartigen Träger zu schaffen, damit eine hinreichende mechanische Festigkeit der Elektrodenschicht gewährleistet ist, die den Katalysator umfasst und die an der elektrochemischen Reaktion teilnimmt. Da es sich um Gasdiffusionselektroden handelt, ist es notwendig, dass das Gas leicht in die aktive Schicht der Elektrode gelangen kann. Um beim Aufbau eines elektrochemischen Generators den grösstmöglichen Platz zu gewinnen, sind Elektroden mit grossen Abmessungen und geringer Dicke erforderlich. Das Gas, das in die Elektrodenfläche gelangt (die Strömrichtung ist also parallel zur Elektrodenebene), muss seine Richtung ändern, um in die aktive Schicht zu kommen (die Ausströmrichtung des Gases ist also senkrecht zur Elektrodenebene).
Der poröse Träger muss die Zufuhr des Gases in diesen beiden Richtungen erleichtern,
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ohne Spannungsverluste zu verursachen, die für das guteArbeiten des Elementes im Hinblick auf die Ab- messungen der Elektroden unzulässig sind. Ausserdem muss der poröse metallische Träger gleichzeitig auch die Sammlung des erzeugten elektrischen Stromes auf. leichte Art ermöglichen und im Fall bi- polarer Elektroden den erzeugten Elektronen erlauben, z. B. von der Zelle n auf dem kürzesten Weg zur Elektrode mit entgegengesetztem Vorzeichen der Zelle n + 1 zu gelangen.
Erfindungsgemäss weist der poröse metallische Träger eine Vielzahl fest miteinander verbundener
Metallkügelchen, insbesondere mit einem mittleren Durchmesser von 10 iL, auf.
Es hat sich gezeigt, dass die obgenannten Erfordernisse nur von Metallkügelchen erfüllt werden und nur diese die besten Ergebnisse sowohl hinsichtlich der Verteilung des Gases als auch hinsichtlich der örtlichen Stromsammlung mit sich bringen. Insbesondere die genannten mehr oder minder runden Pulver bieten keinesfalls die Sicherheit und die notwendige Gewissheit dafür, dass eine Elektrode mit grosser
Abmessung tatsächlich an jedem Punkt ihrer aktiven Schicht gut versorgt ist und dass der Strom ebenfalls von jedem Punkt der Elektrode gesammelt wird.
Um nämlich eine für Gas gute und in allen Richtungen gleiche Durchlässigkeit zu erreichen, was im Hinblick auf die Wanderung in wenigstens zwei aufeinander senkrechten Richtungen notwendig ist, muss der Körper isotop sein.
Ein solcher Körper kann aber mit Pulvern nicht realisiert werden, weil die Körner des Pulvers im allgemeinen eine längliche Form aufweisen, wodurch sich ein anisotroper Körper ergibt.
Darüber hinaus wird die Gaszirkulation im Innern des Trägers umso besser, je schwächer bzw. klei- ner die Kontaktzonen zwischen den Bestandteilen des Trägers werden.
Es ist ersichtlich, dass diese Zonen dann am kleinsten sind, wenn die Teilchen kugelige Gestalt besitzen.
Daraus ergibt sich, dass nur ein Körper, der aus kugeligen agglomerierten Teilen besteht, gleich- zeitig eine gute und in allen Richtungen des Gasflusses gleiche Durchlässigkeit, eine genügende me- chanische Widerstandsfähigkeit und eine zufriedenstellende Ableitung des elektrischen Stromes ge- währleistet.
Vorteilhafterweise besteht der poröse metallische Träger aus einer Ablagerung der Metallkügelchen auf einem Metallgitter oder Metallnetz, wobei die Gesamtheit der Kügelchen und das Gitter oder das
Netz fest miteinander verbunden sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnungen, in denen einige Aus- führungsbeispiele dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Elektrode gemäss der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch eine bipolare Elektrode gemäss der Erfindung, die vorteilhafterweise in einer Serienschaltung anwendbar ist, und Fig. 3 mehrere in Serie geschaltete Elektroden.
Die in Fig. l dargestellte Elektrode besteht aus einem Metallnetz oder Metallgitter -1--, das eine
Ablagerung --2-- von Kugeln mit einem mittleren Durchmesser von etwa 10 jn aufweist, die so agglo- meriert sind, dass sie eine homogene und poröseschicht bilden. Auf dieser ist dieOberflächenschicht-3-- der Elektrode abgelagert. Das Metallrohr-4-, durch das die Elektrode mit Gas gespeist wird, dient gleichzeitig der Entnahme der erzeugten elektrischen Energie.
Bei der Herstellung einer solchen Elektrode wird zunächst das Metallrohr --4-- auf dem Metall- gitter-l-mit gutem elektrischemKontakt angebracht, z. B. angeschweisst Hierauf wird das Metall- gitter --1- lackiert, so dass ein Oberflächenzustand erzielt wird, der das Ablagern von Metallkugeln kleiner Abmessungen erlaubt. Nach dem Lackieren werden die Metallkugeln z. B. mittels einer Spritz- pistole abgelagert. Das so erhaltene Stück wird nunmehr gesintert, so dass ein widerstandsfähiges und poröses Medium erhalten wird, wobei die anfangs auf das Metallgitter aufgebrachte Lackschicht zerstört wird. Bei Metallkugeln aus Nickel wird beispielsweise zwischen 500 und 10000C gesintert.
Auf den so hergestellten porösen Metallträger wird die Oberflächenschicht der Elektrode z. B. mit- tels einer Spritzpistole, durch Imprägnierung in einem Bad usw., aufgetragen, worauf diese Schicht thermisch und mechanisch, wie dies z. B. in der österr. Patentschrift Nr. 256953 beschrieben ist, behan- delt
Auf diese Weise wird eine Elektrode mit einer guten mechanischen Widerstandsfähigkeit gewonnen, die zugleich eine einfache Gasspeisung und Stromabnahme bietet
Um die Elektrode leichter zu gestalten, werden vorteilhaft zur Herstellung des porösen Metallträgers hohle Kugeln verwendet
Fig. 2zeigt einen Schnitt durch eine bipolare Elektrode, die ähnlicheMerkmale wie die weiter oben beschriebene Elektrode besitzt.
Hiebei sind im Prinzip zwei einfache Elektroden durch einen Metalleiter
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miteinander verbunden, wobei die Gasdiffusion von einer Elektrode zur andern verhindert wird.
Erfindungsgemäss wird eine solche Elektrode dadurch verwirklicht, dass beiderseits einer gasdichten Metallfolie ein poröser, für die Ablagerung der Oberflächenschicht der Elektrode bestimmter Metallträ- ger mit dem erforderlichen der Gaszufuhr dienenden Rohr angeordnet wird.
Auf der in Fig. 2 dargestellten gasdichtenMetallfolie --5-, z. B. aus Nickel oder Silber, sind zwei Metallrohre und 6 1--angebracht, z. B. angeschweisst, die die Gasspeisung sicherstellen. Das poröse Material --7, 71--, das ein Agglomerat aus gesinterten Metallkügelchen ist, bildet den Elektrodenkörper. Auf dem porösen Metallträger sind die Oberflächenschichten -8, 81-- der Elektroden abgelagert.
Auf diese Art hergestellte bipolare Elektroden können vorteilhaft in Serie geschaltet werden, da es genügt, jeweils eine Elektrode mit Brennstoffgas, wie Wasserstoff, und die andere Elektrode mit einem die Verbrennung bewirkenden Gas, wie Sauerstoff, zu speisen. Die Einzelelektroden jeder bipolaren Elektrode sind nämlich unmittelbar miteinander elektrisch leitend verbunden und bilden mit der Einzelelektrode einer benachbarten bipolaren Elektrode jeweils ein Element, das eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode aufweist
Eine derartige Anordnung zeigt Fig.
3, in der beispielsweise drei bipolare erfindungsgemässe Elektroden dargestellt sind, von denen jede die von den Rohren-25, 35 und 45-gespeisten Wasserstoffelektroden-22, 32 und 42-- sowie die von den Rohren-26, 36, 46- gespeisten Sauerstoffelektroden - -23, 33 und 43-besitzt, wobei diese Elektroden durch die gasdichten Metalleiter-24, 34 und 44getrennt sind.
Die elektrischen Isolierteile --21, 31 und 41-- grenzen die Elektrolytabteilungen-20, 30, 40 und 50-voneinander ab.
Jedes Element der Batterie besteht hiebei jeweils aus der Wasserstoffelektrode (z. B. --32-) einer
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33-)Wasserstoffelektrode (z. B.-32-) mit der Sauerstoffelektrode (z. B.-23-) über den Elektrolyt in Verbindung steht.
Auf diese Weise bilden z. B. die Elektroden --23 und 32-- mit dem Elektrolyt -30-- und die Elek-
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verbunden sind.
Wird die Speisung von Brennstoffgas mittels einer Hauptleitung für die Gesamtheit der Elektroden durchgeführt, so muss dafür gesorgt werden, dass die Speiserohre jeder Elektrode untereinander isoliert werden, z. B. durch Einfügen eines Isolierrohres aus Kunststoff zwischen diesem und der Hauptleitung.
Dasselbe gilt auch für den Speisekreis der die Verbrennung bewirkenden Gase.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasdiffusionselektrode für elektrochemische Generatoren mit einem porösen metallischen Träger, auf den ein Überzug aus aktivem Material aufgetragen ist, in dessen Niveaudie elektrochemischen Reaktionen ablaufen, wobei zur Zufuhr des Reaktionsgases an die Elektrode eininden Trägermündendes Metallrohr vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse metallische Träger eine Vielzahl fest miteinander verbundener Metallkügelchen (2,7, 71), insbesondere mit einem mittleren Durchmesser von 10 , aufweist.
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