DE1272277B - Process for the production of porous oxygen electrodes with a silver catalyst - Google Patents
Process for the production of porous oxygen electrodes with a silver catalystInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES VWWW^ PATENTAMT Int. Cl.: FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN VWWW ^ PATENT OFFICE Int. Cl .:
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AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Sauerstoffelektrode mit Silberkatalysator, insbesondere für galvanische Brennstoffzellen, wobei die Elektrode aus einer pulverförmigen Silberverbindung, vermischt mit einem später wieder herauslösbaren Porenbildner, erst vorgefertigt und anschließend die Verbindung vorzugsweise elektrochemisch zum metallischen Silberkatalysator reduziert wird.The invention relates to a method for producing a porous oxygen electrode with Silver catalyst, in particular for galvanic fuel cells, the electrode from a powdery silver compound, mixed with a pore former that can later be removed again, first prefabricated and then the connection, preferably electrochemically, to the metallic silver catalyst is reduced.
Es ist bekannt, Silber als Katalysator für eine Sauerstoffelektrode zu verwenden. Hierfür geeignete poröse Elektroden lassen sich als Raney-Silber-Elektroden oder durch elektrolytische Abscheidung von Silber auf einem porösen Elektrodenkörper herstellen. Es ist auch schon bekannt, poröse Elektrodenplatten für Akkumulatoren dadurch herzustellen, daß man ein plastiziertes thermoplastisches Harz mit Metalloxydpulver vermischt und die bandförmig ausgewalzte Mischung in Gitterplatten preßt, aus denen man nach elektrolytischer Reduktion der Metallbindung die Harzbestandteile dann durch ein Lösungsmittel wieder herauslöst. Schließlich gehört es zum Stand der Technik, Silberelektroden für alkalische Akkumulatoren durch Sintern von Nickelpulver und Silberoxydpulver sowie anschließender Reduktion des Silberoxyds zum metallischen Silber herzustellen.It is known to use silver as a catalyst for an oxygen electrode. Suitable for this Porous electrodes can be called Raney silver electrodes or by electrolytic deposition of silver on a porous electrode body. It is also already known to produce porous electrode plates for accumulators by that a plasticized thermoplastic resin is mixed with metal oxide powder and rolled out in the form of a band Mixture is pressed into grid plates, from which one after electrolytic reduction of the metal bond the resin components then dissolve out again using a solvent. After all, it belongs to the State of the art, silver electrodes for alkaline batteries by sintering nickel powder and To produce silver oxide powder and subsequent reduction of the silver oxide to metallic silver.
Die Herstellung von Elektroden mit eingebautem Raney-Katalysator erfordert jedoch eine Vielzahl von Arbeitsgängen und ist deshalb zeitraubend und teuer. Die durch elektrolytische Silberabscheidung auf porösen Elektrodenkörpern hergestellten Elektroden haben den Nachteil, daß sich der Silberkatalysator nur auf der äußeren Oberfläche des Elektrodenkörpers befindet. Bei einer Gaselektrode mit großer katalytischer Aktivität ist es aber notwendig, daß der Katalysator auch die Innenwände der Poren bedeckt. Derartige Elektroden sind zudem, wenn ihr Elektrodenkörper aus Graphit besteht, gegen mechanische Beanspruchung empfindlich. Auch die bekannten, unter Verwendung plastizierten Kunstharzes hergestellten Elektrodenplatten für Akkumulatoren haben nicht die für Brennstoffzellen ausreichende Porosität und auch nur bei Verwendung von Gittergerüstplatten eine ausreichende Festigkeit. However, the production of electrodes with a built-in Raney catalyst requires a lot of operations and is therefore time consuming and expensive. The by electrolytic silver deposition Electrodes produced on porous electrode bodies have the disadvantage that the silver catalyst located only on the outer surface of the electrode body. With a gas electrode with high catalytic activity, it is necessary that the catalyst also the inner walls of the pores covered. Such electrodes are also, if their electrode body is made of graphite, against mechanical ones Sensitive to stress. Also the known ones made using plasticized synthetic resin produced electrode plates for accumulators do not have the sufficient for fuel cells Porosity and sufficient strength only when using lattice scaffolding panels.
Die obenerwähnten, unter Verwendung von Nickelpulver hergestellten Akkumulatorelektroden weisen gleichfalls die für Brennstoffzellen erforderliche Porosität nicht auf. Bei der angegebenen hohen Sintertemperatur von 700 bis 900° C entsteht darüber hinaus unter erheblichem Verlust von katalytisch aktiver Oberfläche des Silbers eine praktisch homogene Mischung aus Nickel und Silber.The above-mentioned accumulator electrodes made using nickel powder likewise do not have the porosity required for fuel cells. At the specified high Furthermore, sintering temperatures of 700 to 900 ° C result in a considerable loss of catalytic properties active surface of the silver is a practically homogeneous mixture of nickel and silver.
Verfahren zur Herstellung von porösen
Sauerstoffelektroden mit SilberkatalysatorMethod of making porous
Oxygen electrodes with silver catalyst
Anmelder:Applicant:
Robert Bosch G. m. b. H.,Robert Bosch G. m. B. H.,
7000 Stuttgart 1, Breitscheidstr. 47000 Stuttgart 1, Breitscheidstr. 4th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
AIfons Köhling, 6231 Niederhöchststadt;
Dr. Helmar Krupp, 6083 Walldorf;
Kurt Richter,AIfons Köhling, 6231 Niederhöchststadt;
Dr. Helmar Krupp, 6083 Walldorf;
Kurt Richter,
6700 Ludwigshafen-Rheingönheim;
Dr. Gerd Sandstede, 6000 Frankfurt;
Dr. Gerd Walter, 6374 Steinbach6700 Ludwigshafen-Rheingönheim;
Dr. Gerd Sandstede, 6000 Frankfurt;
Dr. Gerd Walter, 6374 Steinbach
ao Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfach durchzuführendes Verfahren zur Herstellung von porösen Sauerstoffelektroden mit Silberkatalysator zu entwickeln, die eine große katalytische Wirksamkeit und mechanische Stabilität aufweisen. The invention was therefore based on the object of providing a method which can be carried out as simply as possible to develop porous oxygen electrodes with silver catalyst, which have a large catalytic Have effectiveness and mechanical stability.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Mischung des Porenbildners mit der Silberverbindung, deren Zersetzungstemperatur höher als die beabsichtigte Sintertemperatur liegt, noch mit einer sinterbaren, pulverisierten Metallverbindung oder in an sich bekannter Weise mit einem sinterbaren, pulverisierten Metall versetzt sowie mit einem Druck von etwa 3 bis 5 t/cm2 zu einem Preßling zusammengepreßt wird, der Preßling gesintert und erst anschließend die Silberverbindung reduziert wird.The object is achieved according to the invention in that the mixture of the pore former with the silver compound, the decomposition temperature of which is higher than the intended sintering temperature, is mixed with a sinterable, pulverized metal compound or, in a manner known per se, with a sinterable, pulverized metal and with a pressure from about 3 to 5 t / cm 2 is pressed together to form a compact, the compact is sintered and only then is the silver compound reduced.
Das Sintern von Pulvermischungen zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffzellen ist bisher nur in Verbindung mit sogenannten Raney-Legierungen aus katalytisch wirksamen Metallen in Verbindung mit unwirksamen Metallen, wie Aluminium, bekannt. Im vorliegenden Fall erfüllt das Sintern jedoch einen anderen Zweck:The sintering of powder mixtures for the production of electrodes for fuel cells is so far only in connection with so-called Raney alloys made of catalytically active metals known with ineffective metals such as aluminum. In the present case, however, the sintering fulfills one other purpose:
Man kann nämlich hochporöse Elektroden für Brennstoffzellen aus Pulverpreßlingen sogar ohne Sinterprozeß in heißem Wasserstoffgas aus Silberverbindungen bzw. solchen Silbersalzen herstellen, die sich schon bei Temperaturen bis etwa 200° C zu metallischem Silber reduzieren lassen. Im Gegensatz zu solchen Silberverbindungen, wie Silberkarbonat, Silbersulfat, organische Silbersalze und Silberoxyd, besteht jedoch bei anderen Silberverbindungen· folgender Nachteil:You can namely even without highly porous electrodes for fuel cells from powder compacts Produce sintering process in hot hydrogen gas from silver compounds or those silver salts that can be reduced to metallic silver at temperatures of up to around 200 ° C. In contrast to such silver compounds as silver carbonate, silver sulfate, organic silver salts and silver oxide, However, there is the following disadvantage with other silver compounds:
809 569/542809 569/542
3 43 4
Für die katalytische Wirkung des Silbers ist die Sauerstoffentwicklung geeignet sind. Ferner ist die Korngröße der einzelnen Silberkristallite von ent- Elektrode auch für die Reduktion von gelöstem oder scheidender Bedeutung. Wird die Temperatur, bei gebundenem Sauerstoff anwendbar, z. B. für die Reder das Silbersalz in Wasserstoff reduziert werden duktion von Wasserstoffperoxyd. Da das in den kann, zu hoch, so vereinigen sich die bei der Reduk- 5 Elektroden enthaltene Silber in feinverteiltem Zution freigesetzten Silberkristallite, soweit sie sich be- stand vorliegt, läßt es sich leicht elektrochemisch rühren, zu größeren Einkristallen, wodurch sich die oxydieren. Infolgedessen lassen sich die Elektroden erzielbare Porosität erheblich vermindert. Bei Tem- auch als Silber-Elektroden in Primärzellen verperaturen von mehr als 200° C verwachsen die SiI- wenden.The evolution of oxygen is suitable for the catalytic effect of silver. Furthermore, the Grain size of the individual silver crystallites of ent- electrode also for the reduction of dissolved or crucial importance. If the temperature is applicable to bound oxygen, e.g. B. for the Reder The silver salt can be reduced to hydrogen by means of hydrogen peroxide. Since that is in the can, too high, the silver contained in the Reduk- 5 electrodes combine in finely divided addition released silver crystallites, insofar as they exist, can easily be electrochemically stir, to form larger single crystals, which oxidize. As a result, the electrodes achievable porosity considerably reduced. At tem- perature also as silver electrodes in primary cells from more than 200 ° C the SiI turns grow together.
berkristallite nicht nur an den Berührungspunkten, io Im folgenden wird das Verfahren nach der Erfinsondern bilden unter erheblichem Verlust an wirk- dung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen ersamer Oberfläche entsprechend größere Kristallite. läutert.overcrystallites not only at the points of contact, io In the following the method according to the invention form with a considerable loss of effectiveness on the basis of two exemplary embodiments Correspondingly larger crystallites on the surface. purifies.
Silberverbindungen dieser Art, wie die Silber- Beispiel 1Silver compounds of this type, such as the silver example 1
halogenide und Silberphosphat, die sich nur bei hö-halides and silver phosphate, which are only
heren Temperaturen in Wasserstoff reduzieren lassen, 15 Aus einer Silbernitratlösung wird mittels Natriumwerden deshalb nach der Erfindung schon vor der phosphatlösung durch schnelle Zugabe Silberphos-Formung des Preßlings mit einem sinterbaren, pul- phat feinstkörnig ausgefällt. Das getrocknete Silberverisierten Metall oder einer Metallverbindung ver- phosphat wird mit 40 Volumprozent Monelmetallmischt. Der Preßling wird zunächst gesintert und erst pulver, einer Kupfer-Nickel-Legierung, der Kornanschließend die Silberverbindung reduziert. Die An- 20 größe 20 bis 40 μΐη und 30 Volumprozent Ammonwesenheit des gesinterten Metallpulvers verhindert karbonat der Korngröße kleiner als 20 μΐη durch also, daß sich das bei der Reduktion entstehende Verreiben innig gemischt. Die Mischung wird in metallische Silber zu größeren Kristalliten zusam- einem Preßwerkzeug mit einem Druck von 3 t/cm2 menschließt und damit die katalytische Wirksamkeit zu einer dünnen Scheibe gepreßt. Der Preßling wird herabsetzt. 25 dann in einer Inertgasatmosphäre langsam erhitzt,Allow higher temperatures to be reduced in hydrogen, 15 From a silver nitrate solution, according to the invention, silver phosphate is formed by means of sodium before the phosphate solution is rapidly added to form the compact with a sinterable, pulpate in extremely fine-grained form. The dried silver-verified metal or a metal compound phosphate is mixed with 40 percent by volume of Monel metal. The compact is first sintered and first powder, a copper-nickel alloy, the grain then the silver compound is reduced. The size 20 to 40 μΐη and 30 percent by volume of ammonia in the sintered metal powder prevents carbonate of grain size smaller than 20 μΐη so that the rubbing resulting from the reduction is intimately mixed. The mixture is closed in metallic silver to form larger crystallites using a pressing tool with a pressure of 3 t / cm 2 and the catalytic effectiveness is thus pressed into a thin disk. The compact is lowered. 25 then slowly heated in an inert gas atmosphere,
Solches Gerüstmetallpulver, das beim Pressen damit sich das Ammonkarbonat ohne Aufspaltung noch nicht genügend fest aneinander haftet, oxydiert des Preßlings verflüchtigt. Anschließend wird der man zuvor oberflächlich und nimmt das Sintern dann Preßling in der Inertgasatmosphäre bei einer Temin Wasserstoff vor. Hierbei wird das Metalloxyd wie- peratur von etwa 700° C gesintert. Wasserstoff darf der reduziert, und das kristallisierende Metall ver- 30 nicht zugegen sein, da sonst das Silberphosphat rebindet sich untereinander. Bei den Silberhalogeniden duziert würde.Such scaffolding metal powder, which when pressed so that the ammonium carbonate without splitting does not yet adhere firmly to one another, the pressed part oxidizes and evaporates. Then the one beforehand superficially and then takes the sintering compact in the inert gas atmosphere at one time Hydrogen before. The metal oxide is sintered at a temperature of around 700 ° C. Hydrogen is allowed which reduces, and the crystallizing metal must not be present, as otherwise the silver phosphate will bind each other. The silver halides would be reduced.
ist Nickel als Gerüstmetallpulver besonders geeignet, Der Elektrodenrohling wird nun in eine verdünnteNickel is particularly suitable as a framework metal powder. The electrode blank is now thinned into a
bei Silberphosphat verwendet man vorzugsweise eine Natriumhydroxydlösung getaucht und als Kathode Kupfer-Nickel-Legierung. in den Stromkreis geschaltet. Der Strom zur Reduk-in the case of silver phosphate, a sodium hydroxide solution is preferably used dipped and as the cathode Copper-nickel alloy. switched into the circuit. The electricity to reduce
Die an sich bekannte elektrochemische Reduktion 35 tion des Silberphosphats wird so einreguliert, daß der Silberverbindung läßt sich dann sowohl in ver- keine Wasserstoffentwicklung auftritt. "Nach Beendidünnter Schwefelsäure als auch in verdünnter alka- gung der Reduktion wird die Elektrode in einem lischer Lösung durchführen. Die Reduktion muß Halter, z. B. aus Plexiglas, so eingeklebt, daß von nicht unbedingt elektrochemisch vorgenommen wer- der Rückseite her Sauerstoff oder Luft durch sie binden; man kann die Silberverbindung in dem Elektro- 40 durchgedrückt werden kann. Der Halter ist außer denrohling auch mit chemischen Reduktionsmitteln zur Gaszuführung noch für die Stromableitung einin wässeriger Lösung oder mit gasförmigem Wasser- gerichtet. Die Elektrode kann nun in einer Brennstoff reduzieren. Stoffzelle mit alkalischem Elektrolyt verwendetThe known electrochemical reduction 35 tion of the silver phosphate is regulated so that The silver compound can then be prevented from developing either. "After finishing thinner Sulfuric acid as well as a dilute alkali of the reduction is the electrode in one carry out a lischer solution. The reduction must holder, z. B. made of plexiglass, glued in that of they do not necessarily have to be carried out electrochemically; the reverse side does not bind oxygen or air through them; you can the silver connection in the electro 40 can be pushed through. The keeper is out The blank also contains chemical reducing agents for gas supply and for current dissipation aqueous solution or with gaseous water-directed. The electrode can now be placed in a fuel to reduce. Substance cell with alkaline electrolyte used
Die zur Erhöhung der Porosität im Innern der werden.Which are used to increase the porosity inside the.
Elektrode der Silberverbindung vor der Formung 45 Beispiel 2Silver Compound Electrode Before Forming 45 Example 2
des Preßlings zugemischten porenbildenden Stoffepore-forming substances mixed in with the compact
werden vor oder nach dem Sintern des Preßlings Bei einer anderen Ausführung des Verfahrensare before or after the sintering of the compact In another embodiment of the method
wieder herausgelöst durch geeignete Maßnahmen, wird von Silberjodid ausgegangen. Dieses wird aus wie Verdampfen oder Auswaschen. einer Silbernitratlösung durch schnelles Fällen mitIf removed again by suitable measures, silver iodide is assumed. This will be off like evaporation or washing out. a silver nitrate solution by quickly precipitating with
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge- 50 Kaliumjodidlösung als feines Pulver gewonnen. Das stellte Elektroden zeichnen sich durch große Ober- Silberjodid wird mit 45 Volumprozent Nickelpulver flächenwirkung und hohe Porosität, also dadurch der Korngröße 20 bis 40 μπι, das durch kurzes Erbesonders aus, daß sie nur einen geringen Überdruck hitzen in Luft mit einer Oxydschicht überzogen worvon höchstens 0,5 atü benötigen. Mit einer solchen den ist, und 25 Volumprozent feinpulvrigem Na-Elektrode wurde nahezu das reversible Sauerstoff- 55 triumchlorid der Korngröße 20 bis 40 μΐη vermischt, potential gemessen. In 66%iger Kaliumhydroxyd- Aus der Mischung wird in einem Preßwerkzeug mit lösung stellte sich bei einer Temperatur von 160° C 5 t/cm2 Preßdruck ein scheibenförmiger Preßling ermit Sauerstoff ein Potential gegen eine Wasserstoff- zeugt. Dieser wird dann in Wasserstoff bei einer Elektrode in derselben Lösung von 1130 mV ein. Temperatur von etwa 520° C getempert. Dabei wird Dieser Wert ist nur um 20 mV kleiner als das rever- 60 das Nickeloxyd reduziert, und die Nickelkörner sinsible Sauerstoffpotential bei dieser Temperatur. Die tern auf diese Weise zusammen. Anschließend wird Elektroden sind so aktiv, daß an ihnen der Sauer- das Natriumchlorid mit Wasser aus dem Elektrodenstoff mit einer Stromdichte von 100 mA/cm2 bei rohling herausgelöst. Dieser wird dann in verdünneiner Polarisation von nur 150 mV umgesetzt wird. ter Schwefelsäure kathodisch mit Strom belastet, wo-Bei einer Temperatur von 70° C ist die Stromdichte 65 bei das Silberjodid reduziert wird. Nach dem Einbau bei demselben Potential nur um die Hälfte kleiner. in einen Halter ist die Elektrode für die elektro-Potassium iodide solution obtained as a fine powder by the method according to the invention. The presented electrodes are characterized by large upper silver iodide with 45 volume percent nickel powder surface effect and high porosity, thus the grain size 20 to 40 μm, which is characterized by the fact that they heat only a slight overpressure in air with an oxide layer at most Need 0.5 atm. With such a den ist, and 25 volume percent finely powdered Na electrode, almost the reversible oxygen trium chloride with a grain size of 20 to 40 μm was mixed, potential measured. In 66% potassium hydroxide, a disk-shaped compact is produced with oxygen in a pressing tool with solution at a temperature of 160 ° C. 5 t / cm 2 of pressure. This is then converted into hydrogen at an electrode in the same solution of 1130 mV. Annealed temperature of about 520 ° C. This value is only 20 mV smaller than the reversible 60 reduced nickel oxide, and the nickel grains sinsible oxygen potential at this temperature. The tern together this way. The electrodes are then so active that the acidic sodium chloride is dissolved out of the electrode material with water at a current density of 100 mA / cm 2 in the case of the blank. This is then converted into a dilute polarization of only 150 mV. ter sulfuric acid cathodically charged with current, where-At a temperature of 70 ° C, the current density is 65 when the silver iodide is reduced. After installation at the same potential, only half the size. The electrode for the electrical
Es sei noch erwähnt, daß die Elektroden nach der chemische Reduktion von Sauerstoff unter dem geErfindung ebenfalls für die Wasserelektrolyse zur ringen Überdruck von etwa 0,3 atü betriebsbereit.It should also be mentioned that the electrodes after the chemical reduction of oxygen under the geErfindung also ready for operation for water electrolysis to a slight overpressure of about 0.3 atü.
Claims (3)
Deutsche Patentschrift Nr. 1 103 415;
deutsche Auslegeschrift Nr. 946 071.Considered publications:
German Patent No. 1 103 415;
German interpretative document No. 946 071.
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DE946071C (en) * | 1953-07-24 | 1956-07-26 | Accumulateurs Fixes | A method of manufacturing a silver-containing positive electrode for alkaline storage batteries |
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1962
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