CS205104B2 - Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektroehemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články - Google Patents
Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektroehemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články Download PDFInfo
- Publication number
- CS205104B2 CS205104B2 CS722614A CS261472A CS205104B2 CS 205104 B2 CS205104 B2 CS 205104B2 CS 722614 A CS722614 A CS 722614A CS 261472 A CS261472 A CS 261472A CS 205104 B2 CS205104 B2 CS 205104B2
- Authority
- CS
- Czechoslovakia
- Prior art keywords
- oxygen
- metal
- hydrophobized
- regions
- event
- Prior art date
Links
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims description 28
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims description 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 title 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 13
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 11
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 7
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 5
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 4
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- QRSFFHRCBYCWBS-UHFFFAOYSA-N [O].[O] Chemical compound [O].[O] QRSFFHRCBYCWBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 239000004569 hydrophobicizing agent Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Description
Vynález se týká kyslíkové, popřípadě vzduchové difúzní elektrody pro elektrochemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články.
Ze všeobecných teoretických důvodů musí kyslíkové, popřípadě vzduchové difúzní elektrody vyhovovat celé řadě navzájem si odporujících požadavků, jako například musí mít velkou vnitřní katalytickou plochu a musí být dobře přístupné pro kyslík. Právě tak nesmí docházet k vytékání elektrolytu, zatím co současně je určitá část pórů elektrody naplněna elektrolytem; oblast rozhraní tří fází plyn (elektroda) elektrolyt musí mít velké rozměry a elektroda musí mít malý ohmický odpor. Z praktického hlediska se rovněž vyžaduje vysoká hustota proudu, dlouhá životnost, malá hmotnost a malé rozměry. Použité materiály musí být levné a snadno dosažitelné.
Jsou známy plynové difúzní elektrody, které odpovídají pouze některým uvedeným požadavkům. U mnohých těchto elektrod se jako katalyzátor používá platina, stříbro nebo jiný vzácný kov, který se mísí s emulzí polytetrafluorethylenu, nanáší na kovovou síť a spéká (americký patentový spis číslo 3 410 935). U jiných druhů kyslíkových elektrod se jako katalyzátor používá platinová čerň (britský pat.spis č. 1 163 479). Kataly2 zátory jiných elektrod tvoří kombinace vzácného kovu a aktivního uhlí (pat. spisy USA č. 3 425 875, 3 423 247, švýcarský patent č. 477 098, japonský pat. spis č. 17 686 a německý pat. spis. č. 56 837). Existujíc také kyslíkové elektrody, kde je katalyzátor smíchán s hydrofobizující látkou a homogenní hydrofobizované vrstvy jsou naneseny na silně hydrofobizovanou podložku z karbo-, nylniklu (pat. spis USA č. 3 405 010). Při tom se zvyšuje stupeň hydrofobizace vrstev; ve směru k podložce.
Společným nedostatkem shora popsaných plynových a kyslíkových difúzních elektrod je, že zlepšení určitých vlastností vede ke zhoršení jiných důležitých vlastností· elektrod. U elektrod s hydrof obizovanými katalytickými vrstvami je obzvláště obtížné dosáhnout současně vysoké hustoty proudu a dlouhé životnosti. To platí zejména pro elektrody pracující se vzdušným kyslíkem bez přetlaku.
Poměrně lepší elektrochemické vlastnosti mají jedině elektrody s přísadou platiny jako katalyzátoru, které se však nemohou v praxi dostatečně uplatnit vzhledem k vysoké ceně platiny.
Účelem vynálezu je odstranit uvedené nedostatky a vytvořit kyslíkovou, popřípadě vzduchovou difúzní elektrodu bez drahých katalyzátorů ze vzácných kovů, která by se přesto vyznačovala při použití v elektrochemických zdrojích proudu vysokými elektrochemickými a elektrickými hodnotami.
Předmětem vynálezu je kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda, která sestává z elektricky vodivé porézní katalytické vrstvy a z elektricky vodivé porézní hydrofobní plynopropustné vrstvy, které jsou nalisovány na kovové síťce. Podstata vynálezu spočívá v tom, že katalytická vrstva je tvořena vzájemně se prostupujícími porézními hydrofilními oblastmi s katalytickou aktivitou pro elektrochemickou redukci kyslíku a porézními hydrofobními oblastmi z vodivých hydrofobizovaných zrn prostých pórů, přičemž ve směru průchodu plynu se v celé katalytické vrstvě rozměry vzájemně se prostupujících hydrofilních oblastí zvětšují a rozměry hydroíobních oblastí se zmenšují. Hydrofobní oblasti jsou s výhodou ze sazí, které jsou hydrofobizovány polytetrafluorethylenem a/nebo polyisobutylenem a/nebo- polyethylenem a/nebo polypropylenem, zatímco hydrofilní oblasti jsou z hydrofilního katalyticky aktivního materiálu, Jehož zrna vykazují silně vyvinutou mikroporézní strukturu, například z aktivního uhlí nebo jiného porézního katalyzátoru; přitom poměr hydrofobizovaných sazí a nehydrofobizovaného aktivního uhlí v katalytické vrstvě leží v rozmezí od 1:5 až 5:1 hmotnostních dílů.
Elektroda podle vynálezu má elektrochemické vlastnosti srovnatelné s vlastnostmi elektrod, které obsahují katalyzátory ze skupiny platiny a jsou tedy podstatně dražší než elektrody s aktivním uhlím.
Příklad provedení kyslíkové, popřípadě vzduchové elektrody podle vynálezu je znázorněn na výkrese, kde obr. 1 je příčný řez výřezem elektrody a obr. 2 znázorňuje podrobně její katalytickou vrstvu.
Elektroda sestává z elektricky vodivé porézní katalytické vrstvy 4 a z elektricky vodivé porézní hydrofobizované plynopropustné vrstvy 5. Mezi oběma vrstvami 4, 5 je přerušovanou čarou naznačeno myšlené rozhraní. Elektroda dále obsahuje neznázorněnou kovovou mřížku, umístěnou na jedné nebo druhé ploše elektrody nebo uvnitř jejího tělesa. K plynopropustné vrstvě 5 se přivádí plyn ve směru šipky 7 a ke katalytické vrstvě 4 elektrolyt ve směru šipky 8.
Katalytická vrstva 4 je tvořena četnými elektricky vodivými porézními hydrofilními oblastmi 2, které jsou například z aktivního uhlí, a četnými elektricky vodivými porézními hydrofobními oblastmi 1. Hydrofobní oblasti 1 mohou například sestávat z velkého počtu hydrofobizovaných zrn prostých pórů, jako jsou saze, hydrofobizovaných polytetrafluorethylenem. Hydrofilní oblasti 2 se stýkají s hydrofobními oblastmi 1 ve styčných plochách 3.
Plynopropustné vrstva 5 sestává rovněž z hydrofobizovaných zrn 6 prostých pórů, například ze sazí hydrofobizovaných polymerem, jako je polytetrafluorethylen, polyisobutylen, polyethylen nebo polypropylen, přičemž může obsahovat až 50 % hmot. polymeru.
Hydrofobní oblasti 1 a hydrofilní oblasti 2 se vzájemně prostupují, jak je patrno z obr. 2, kresleného ve zvětšeném měřítku. Znázornění vrstev a oblastí na výkrese je ovšem jen schematické a neukazuje jejich přesný tvar ani strukturu, které jsou proměnlivé. Také počet vzájemně se prostupujících oblastí je ve skutečnosti podstatně větší než na výkrese.
Hydrofobní oblasti 1 a hydrofilní oblasti 2 sahají po celé tloušťce katalytické vrstvy, jak ukazuje jejich výška Ai, Az na obr. 2. Směrem k té ploše elektrody, která se dotýká elektrolytu, tedy ve směru šipky Z, se průřez B2 hydroíobních oblastí 1 zmenšuje, zatímco průřez Bi hydrofilních oblastí 2 se v tomto směru zvětšuje. Poměr mezi hydrofobními oblastmi 1 a hydrofilními oblastmi 2 se tedy ve směru šipky Z mění, přičemž objem hydrofobních oblastí 1 se v tomto směru zmenšuje a objem hydrofilních oblastí 2 se zvětšuje. V tloušťce katalytické vrstvy 4 se tedy mění pouze příčné rozměry oblastí 1, 2, nikoli však jejich fyzikální a elektrochemické vlastnosti, K náhlé změně fyzikálních a elektrochemických vlastností dochází pouze na styčných plochách 3, takže tyto vlastnosti se mění v rovinách rovnoběžných s plochou elektrody.
Katalytická vrstva 4 se nanáší v několika vrstvách, z nichž každá má jiný poměr hydrofobizovaných sazí a nehydrofobizovaného aktivního uhlí, například od 1:5 do 5:1 hmotnostních dílů. Elektroda se pak spéká při teplotě 150 až 350 °G a tlaku do 30 MPa.
Popsané struktura kyslíkové, popřípadě vzduchové elektrody podle vynálezu vede k podstatnému zlepšení jejích chemických vlastností. Reakční rozhraní tří fází, vznikající v katalytické vrstvě 4 v objemově trojrozměrné ploše, vede ke zvýšení celkové účinnosti elektrody. Struktura katalytické vrstvy odpovídá principu protiproudů, který zajišťuje optimální rozložení pracovního procesu v elektrodě. Dík ostrému přechodu hydrofilních oblastí 2 a hydrofobních oblastí 1 se poloha třífázového rozhraní, ve kterém probíhá elektrochemický proces, během provozu elektrody nemění. To zajišťuje podle vynálezu mimořádně velkou životnost kyslíkových, popřípadě vzduchových elektrod, a to 10 000 a, 15 000 hodin při stabilních, vysokých elektrochemických analytických hodnotách. Při tom nebyl u elektrod zjištěn žádný průchod proudu, což má pro jejich použití v praxi velký význam a může být označeno jako další přednost. Tyto skutečnosti jsou potvrzeny výsledky analytických zkoušek kyslíkových, popřípadě vzduchových elektrod, které jsou shrnuty v tabulce 1.
Kyslíkové, popřípadě vzduchové elektrody podle vynálezu jsou univerzálně použitelné. Používají se úspěšně v elektrochemických zdrojích proudu typu kov — vzduch jak jako primární baterie, tak také jako sekundární akumulátory, a rovněž u různých druβ hů palivových článků. Elektrody se mohou také používat v zařízeních pro stanovení minimálních množství kyslíku a v zařízeních pro získávání čistého kyslíku ze vzduchu.
TABULKA 1
Životnost a elektrochemické výchozí analytické hodnoty kyslíkových, popřípadě vzduchových difúzních elektrod podle vynálezu, vyrobených s různými hydrofobizačními látkami katalyzátor hydrofobizační pracovní plyn Hustota proudu hustota prou- životnost h látka a pojivo bez přetlaku při polarizaci du při dlou— 200 mV proti hodobých Hg/HgO, zkouškách mA . cm-2 mA . cm-2
| aktivní uhlí | polytetrafluor- | vzduch | 150 | 30 | 15 000 |
| ethylen | 50 | 10 000 | |||
| 100 | 1 000 | ||||
| kyslík | 300 | 100 | 5 000 | ||
| 200 | 4 000 | ||||
| aktivní uhlí | polyisobutylen | vzduch | 150 | 50 | 4 000 |
| kyslík | 300 | — | — | ||
| aktivní uhlí | polyethylen | vzduch | 150 | 50 | 2 000 |
| kyslík | 250 | — | — |
PŘEDMĚT VYNÁLEZU
Claims (4)
1. Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektrochemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články, která sestává z elektricky vodivé porézní katalytické vrstvy a z elektricky vodivé porézní hydrofobní plynopropustné vrstvy, které jsou nalisovány na kovové síťce, vyznačující se tím, že katalytická vrstva (4) je tvořena vzájemně se prostupujícími porézními hydrofilními oblastmi (2) s katalytickou aktivitou pro elektrochemickou redukci kyslíku a porézními hydrofobními oblastmi (lj z vodivých hydrofobizovaných zrn prostých pórů, přičemž ve směru průchodu plynu se v celé katalytické vrstvě (4) rozměry vzájemně se prostupujících hydrofilních oblastí (2) zvětšují a rozměry hydrofobních oblastí (1) se zmenšují.
2. Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda podle bodu 1, vyznačující se tím, že hydrofobní oblasti (lj jsou ze sazí, které jsou hydrofobizovány polytetrafluorethylenem a/nebo polyisobutylenem a/nebo polyethylenem a/nebo polypropylenem.
3. Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda podle hodů 1 a 2, vyznačující se tím, že hydrofilní oblasti (2) jsou z hydrofilního katalyticky aktivního materiálu, jehož zrna vykazují silně vyvinutou mikroporézní strukturu, například z aktivního uhlí nebo jiného porézního katalyzátoru.
4. Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že poměr hydrofobizovaných sazí a nehydrofobizovaného aktivního uhlí v katalytické vrstvě (4j leží v rozmezí od 1:3 až do 5 : 1 hmotnostních dílů.
1 list výkresů
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS722614A CS205104B2 (cs) | 1972-04-18 | 1972-04-18 | Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektroehemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS722614A CS205104B2 (cs) | 1972-04-18 | 1972-04-18 | Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektroehemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CS205104B2 true CS205104B2 (cs) | 1981-04-30 |
Family
ID=5363782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CS722614A CS205104B2 (cs) | 1972-04-18 | 1972-04-18 | Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektroehemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CS (1) | CS205104B2 (cs) |
-
1972
- 1972-04-18 CS CS722614A patent/CS205104B2/cs unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4091176A (en) | Porous electrode | |
| JP3245161B2 (ja) | 電気化学的燃料電池のガスケット使用膜電極アセンブリー | |
| US3252839A (en) | Novel platinized electrodes for fuel cells and fuel cells containing the same | |
| US4137371A (en) | Electrochemical zinc-oxygen cell | |
| CA1069972A (en) | Electrolyte reservoir for a fuel cell | |
| JPS58152B2 (ja) | ネンリヨウデンチデンキヨク オヨビ ソノクミタテタイ | |
| US3837921A (en) | Storage oxygen depolarized cell | |
| EP0945910A3 (de) | Membran-Elektroden-Einheit für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
| GB1176486A (en) | Improvements in or relating to Electrochemical Cells | |
| US3438815A (en) | Electrochemical cell containing an electrode comprising a catalytic layer consisting of uniformly dispersed catalytic metal particles and a hydrophobic polymer,and (in contact with the cell electrolyte) a separate porous metal layer | |
| KR101825888B1 (ko) | 고분자연료전지 백금 용해시 발생되는 이오노머 재배열을 억제할 수 있는 전극 제조방법 | |
| US3364071A (en) | Fuel cell with capillary supply means | |
| US4467020A (en) | Rechargeable lead-hydrogen electrochemical cell | |
| US4536272A (en) | Porous electrode | |
| GB1186493A (en) | Oxygen Electrode for Electrolytic Cells | |
| US3544380A (en) | Method of activating fuel cell electrode by direct current | |
| GB1167541A (en) | Improvements in or relating to Electrochemical Cells | |
| JPS648431B2 (cs) | ||
| CS205104B2 (cs) | Kyslíková, popřípadě vzduchová difúzní elektroda pro elektroehemické zdroje proudu typu kov — kyslík, popřípadě kov — vzduch, a pro palivové články | |
| ES365400A1 (es) | Mejoras introducidas en la fabricacion de electrodos para un dispositivo electroquimico. | |
| JPS58155B2 (ja) | ネンリヨウデンチクミタテタイ | |
| US3253956A (en) | Fuel cell and electrodes for the production of electrical energy by direct reaction of gaseous fuels with oxidizing gases | |
| Jinuntuya et al. | Effects of a microporous layer on water transport BEhaviour in PEM fuel cell gas diffusion layers | |
| JP2021163663A (ja) | ガス流路構造、支持板、及び、燃料電池 | |
| JPS62269055A (ja) | 電気化学センサ− |