DE1244891B - Verfahren zur Herstellung einer gesinterten poroesen Elektrode fuer Brennstoffelemente - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer gesinterten poroesen Elektrode fuer Brennstoffelemente

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DE1244891B
DE1244891B DEA53010A DEA0053010A DE1244891B DE 1244891 B DE1244891 B DE 1244891B DE A53010 A DEA53010 A DE A53010A DE A0053010 A DEA0053010 A DE A0053010A DE 1244891 B DE1244891 B DE 1244891B
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DE
Germany
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alkali
sintered
powder
soluble
metal
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DEA53010A
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English (en)
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Olle Lindstroem
Ingemar Lindholm
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ABB Norden Holding AB
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ASEA AB
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/98Raney-type electrodes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
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  • Inert Electrodes (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung einer gesinterten porösen Elektrode für Brennstoffelemente Elektrische Energie kann unter anderem durch Reaktion zwischen einem kontinuierlich zugeführten brennbaren Stoff, z. B. Wasserstoff, und einem kontinuierlich zugeführten oxydierenden Stoff, wie z. B. Sauerstoff, Luft oder einem Halogen, in einem Brennstoffelement erzeugt werden, das in seiner einfachsten Form aus einem geeigneten flüssigen Elektrolyt und in diesem angeordneten zwei porösen Elektroden bestehen kann, durch welche die brennbaren und oxydierenden Stoffe diffundieren können.
  • Es ist bekannt, in Brennstoffelementen Elektroden zu verwenden, die im wesentlichen aus Nickel aufgebaut sind und bei welchen die Gebiete am nächsten der Porenwände Nickel in aktivierter Form enthalten. Eine solche Elektrode kann nach einer bekannten Methode hergestellt werden unter Verwendung von Nickelpulver mit einer Mittelkorngröße von 5 bis 15 #t und einem Pulver, das aus einer Aluminiumnickellegierung (»Raney-Legierung«) mit einer Korngröße von 20 bis 60 g, besteht, die in einem besonderen Prozeß durch Zusammenschmelzen von Nickel und Aluminium bei etwa 1400° C hergestellt wird. Das Nickelpulver kann dabei mit dem Pulver der Legierung in den Proportionen 20 bis 80% des erstgenannten Bestandteils und 80 bis 20% des letztgenannten gemischt werden, wonach die Mischung bei einem Druck von 3000 bis 7000 kp/cm2 zu einer Elektrode zusammengepreßt und bei einer Temperatur von 600 bis 1000° C gesintert werden kann. Nach dem Sintern wird das Aluminium aus der in dem gesinterten Produkt enthaltenen Aluminiumlegierung (»Raney-Legierung«) mit Alkali herausgelöst, wobei sich Mikroporen bilden. Das Gebiet um die Poren herum wird aktiv dank den großen Porenflächen und den gestörten Kristallgittern des dort nach dem Herauslösen übriggebliebenen Materials. Das reine Nickelpulver dient nach dem Sintern als tragender Körper für die Elektrode, während das nach dem Herauslaugen mit Alkali übriggebliebene Material der Legierung die aktiven Gebiete bildet, die die Poren umgeben. Als Ersatz für das reine Nickelpulver hat man für die bekannte Elektrode Kohle-, Eisen- und Kobaltpulver vorgeschlagen und als Ersatz für die genannte Legierung andere Legierungen, in denen Nickel durch Kobalt oder Eisen und Aluminium durch Silizium, Magnesium oder Zink ersetzt sein können.
  • Es sind auch Elektroden für die Elektrolyse des Wassers bekannt, bei denen als Elektrodenmaterial oder als aktiver Belag der Elektrode oder als Zusatz zum Elektrodenmaterial ein Raney-Metall verwendet wird. Dieses Raney-Metall wird durch Herauslösen des alkalilöslichen Legierungselements aus der entsprechenden Raney-Legierung hergestellt.
  • Es ist auch bereits bekannt, Elektroden mit fein gerauhter Oberfläche für Wasserelektrolyseure herzustellen, indem man das Elektrodenmaterial wenigstens oberflächlich mit Aluminium oder Zink legiert und diese Legierungsmetalle durch Behandlung mit Alkalihydroxydlösung herauslöst.
  • Die in den beiden letzten Absätzen behandelten Elektroden werden somit, wie es bei den früher beschriebenen Elektroden der Fall ist, durch einen Prozeß hergestellt, bei dem das Aluminium oder das entsprechende alkalilösliche Metall aus einer vorkommenden Legierung herausgelöst wird, um einen aktiven Rückstand zurückzulassen. Auch bei den im letzten Absatz beschriebenen Elektroden kann die Größe der Poren nicht mit dem alklilöslichen Bestandteil beeinflußt werden.
  • Es hat sich überraschenderweise erwiesen, daß es möglich ist, aus Pulvermaterial gesinterie poröse Elektroden viel einfacher herzustellen als in der oben angegebenen bekannten Weise, und daß nach dem neuen Verfahren hergestellte Elektroden, verglichen mit früher bekannten Elektroden, mehrere Vorteile aufweisen, nämlich eine vorausbestimmte Porengröße, eine verbesserte mechanische Festigkeit und die Fähigkeit, zufolge ihrer größeren Poren bei niedrigen Drücken als bisher möglich arbeiten zu können, während sie in elektrischer Hinsicht den bekannten Elektroden völlig gleichwertig sind, d. h. in Hinsicht auf Ruhepotential, Belastbarkeit und Polarisation.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer gesinterten porösen Elektrode für Brennstoffelemente, bei dem ein Pulver, das aus wenigstens einem katalytisch wirksamen Metall mit geringer Löslichkeit in Alkalilauge und wenigstens einem katalytisch inaktiven in Alkalilauge löslichen Metall oder Silizium besteht, gepreßt und gesintert wird und anschließend der Hauptteil des in Alkalilauge löslichen Materials herausgelöst wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver des katalytisch inaktiven Materials mit dem katalytisch aktiven Material überzogen wird, wobei die Menge des katalytisch aktiven Metalls mindestens 5011/o beträgt, daß das Pulver nach dem Pressen bei einer Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt der Komponente des Pulvers mit dem niedrigsten Schmelzpunkt liegt, an den Grenzflächen gesintert und anschließend in bekannter Weise das in Alkalilauge lösliche Material herausgelöst wird.
  • Das katalytisch wirksame Metall kann unter anderem aus Eisen, Nickel, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Silber oder Mischungen von diesen bestehen. Das in Alkali lösliche Metall oder Metalloid kann z. B. aus Aluminium, Magnesium, Zink oder Silizium oder Mischungen von diesen bestehen. Es hat sich gezeigt, daß es für die Funktionsgüte und die Eigenschaften der hergestellten Elektroden von entscheidender Bedeutung ist, daß das Sintern bei einer Temperatur erfolgt, die den Schmelzpunkt der Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt unterschreitet. Wenn das Sintern bei einer höheren Temperatur stattfindet, entsteht sehr leicht eine unkontrollierte Legierungsbildung, die mit einer Temperatursteigerung verbunden ist, die Schwellen und Rißbildung zur Folge hat. Die Aktivität wird also schlecht.
  • Gemäß der Erfindung wird nach der Sinterung ein Produkt erhalten, in dem die Komponenten des Pulvers in unveränderter Form vorliegen, außer in den Zonen, in denen die Komponenten aneinandergrenzen und ein zusammengesetztes Produkt bilden. Bei einer solchen Elektrode werden die Poren durch Herauslösen des alkalilöslichen Materials als solches gebildet. Dies bedeutet, daß die Porenstruktur der Elektroden durch die Wahl von Partikeln des alkalilöslichen Materials von zweckmäßiger Größe beeinflußt werden kann und daß Elektroden mit vorausbestimmter Porengröße hergestellt werden können. Die Poren werden größer als bei den bekannten Elektroden, so däß man bei dem den Elektroden zugeführten gasförmigen Brennstoff mit einem niedrigeren Druck auskommen kann als bei den bekannten Elektroden. Dies ist ein bedeutender Vorteil, besonders bei großen Elektroden.
  • Die Pulvermischung enthält wie oben angegeben, mindestens 50 Gewichtsprozent Metall mit geringer Löslichkeit in Alkali. Der Gehalt an in Alkali löslichem Metall oder Silizium hängt von den aktuellen Korngrößenverhältnissen ab und liegt normalerweise bei 10 bis 30 Gewichtsprozent. Die Korngröße der Partikel der einen Komponente und die Größe des Überzugs der anderen Komponente kann innerhalb weiter Grenzen in Abhängigkeit vom aktuellen Brennstoff und Elektrodentyp variiert werden. Der resultierende Porendurchmesser einer hergestellten Elektrode wird in hohem Grad von der Größe der verwendeten Partikel bzw. von der Größe des überzugs bestimmt. Das Sintern der Pulvermischung zu einem Elektrodenmaterial kann in vielen Fällen mit Vorteil bei einer Temperatur von ungefähr 10 bis l50° C unter dem Schmelzpunkt der am leichtesten schmelzbaren Komponente erfolgen. Um die Porosität der Elektrode zu erhöhen, kann die Mischung der Partikel mit etwa 30 Gewichtsprozent eines Treibmittels versetzt werden, z. B. Ammoniumkarbonat oder Ammoniumbikarbonat, das die Fähigkeit hat, während des Sinterungsprozesses in gasförmige Produkte dissoziiert zu werden.
  • Die Erfindung ist im Anschluß an die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und an Hand der Zeichnung näher erläutert.
  • F i g.1 zeigt ein für die Herstellung eines Elektrodenmaterials nach der Erfindung geeignetes Ausgangsmaterial, das aus einem mit Nickel überzogenen Aluminiumpartikel besteht; F i g. 2 zeigt (stark vergrößert) einen Teil einer aus dem Ausgangsmaterial nach F i g. 1 gesinterten Elektrode in der Form einer Platte; F i g. 3 zeigt die Platte nach F i g. 2 nach Herauslösen des Aluminiums mit Alkali.
  • Ein Pulver, das aus Körpern 10 gemäß F i g.1 je mit einem Kern 11 aus Aluminium besteht, auf welchem eine mehr oder weniger zusammenhängende Schale 12 aus Nickel durch Reduktion mit Wasserstoff ausgeschieden worden ist, wird mit einem Druck von 5 t/cm2 zu Elektroden gepreßt. Die Körper 10 enthalten 33 Gewichtsprozent Aluminium und 67 Gewichtsprozent Nickel und haben einen Außendurchmesser unter 60 R,. Die Elektroden werden bei 600° C 30 Minuten lang in Wasserstoffatmosphäre gesintert. Ein Teil 13 einer gesinterten Elektrode ist in F i g. 2 gezeigt. In der gesinterten Platte kommen kleine Poren 14 in einem gewissen Ausmaß vor. Der Hauptteil der Aluminiummenge wird durch Behandlung mit einer 30prozentigen Kaliumhydroxydlösung herausgelöst, wobei die Poren 14 das Eindringen des Hydroxyds in die Platte erleichtern. Nach der Behandlung mit Alkali erhält man eine poröse Elektrode 15, in der die Poren mit 16 bezeichnet sind. Die Elektrode ist als Brennstoffelektrode, z. B. für Wasserstoff, verwendbar.
  • Die beschriebenen Elektroden können in Brennstoffzellen mit verschiedenen Elektrolyten, wie z. B. Kalium- oder Natriumhydroxydlösungen, verwendet werden.
  • Das Verfahren nach der Erfindung kann nicht nur bei der Herstellung von Elektroden in der Form von Platten angewendet werden, sondern unter anderem auch bei der Herstellung von Elektrodenmaterial in der Form von Graupen, Körnern od. dgl. Das letztgenannte Elektrodenmaterial kann dabei unter anderem so hergestellt werden, daß die angewendeten Ausgangsmaterialien zu kleinen Graupen oder Körnern geformt und als solche gesintert werden, um danach mit Alkali behandelt zu werden, oder so, daß das Ausgangsmaterial zu einer Platte geformt und in dieser Form gesintert wird, wonach die Platte in kleine Teile geteilt wird. Die Behandlung mit Alkali kann im letzteren Fall vor, am besten aber nach der Zerteilung in kleine Teile erfolgen. Derartiges Elektrodenmaterial in Graupen- oder Kornform kann unter anderem in Brennstoffzellen mit flüssigem Brennstoff, z. B. in Elektrolyt aufgelöstem Äthylalkohol, verwendet werden, wobei es beispielsweise in einem aus einem Netz oder einer perforierten Platte hergestellten Behälter angeordnet sein kann. Das Elektrodenmaterial kann auch in Brennstoffzellen des Typs verwendet werden, bei dem der Elektrolyt aus einer Ionenaustauschermembran besteht.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen einer gesinterten porösen Elektrode für Brennstoffelemente, bei dem ein Pulver, das aus wenigstens einem katalytisch wirksamen Metall mit geringer Löslichkeit in Alkalilauge und wenigstens einem katalytisch inaktiven in Alkalilauge löslichen Metall oder Silizium besteht, gepreßt und gesintert wird und anschließend der Hauptteil des in Alkalilauge löslichen Materials herausgelöst wird, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Pulver des katalytisch inaktiven Materials mit dem katalytisch aktiven Material überzogen wird, wobei die Menge des katalytisch aktiven Metalls mindestens 50 % beträgt, daß das Pulver nach dem Pressen bei einer Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt der Komponente des Pulvers mit dem niedrigsten Schmelzpunkt liegt, an den Grenzflächen gesintert und anschließend in bekannter Weise das in Alkalilauge lösliche Material herausgelöst wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur von ungefähr 10 bis 150° C unter dem Schmelzpunkt der Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt gesintert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytisch wirksames Metall Nickel und als in Alkalilauge lösliches Metall Aluminium verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Porosität ein Treibmittel zugesetzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 592130; deutsche Auslegeschrift Nr. 1065 821.
DEA53010A 1961-05-06 1962-05-03 Verfahren zur Herstellung einer gesinterten poroesen Elektrode fuer Brennstoffelemente Pending DE1244891B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2381113A1 (fr) * 1977-02-18 1978-09-15 Asahi Glass Co Ltd Electrode pour electrolyse d'une solution aqueuse du chlorure d'un metal alcalin

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE592130C (de) * 1932-07-13 1934-02-01 Oerlikon Maschf Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit fein gerauhter Oberflaeche fuer elektrolytische Apparate
DE1065821B (de) * 1957-08-01 1959-09-24 Ruhrchemie Aktiengesellschaft Oberhausen (RhId )-Holten, und Steinkohlen - Elektrizität Aktiengesellschaft Essen Wasserelektrolyse^

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