DE1275645B - Verfahren zur Herstellung einer poroesen Elektrode fuer Brennstoffelemente - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-14/01

Nummer: 1275 645

Aktenzeichen: P 12 75 645.5-45 (S 85856)

Anmeldetag: 26. Juni 1963

Auslegetag: 22. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode mit verringerter Kantendicke für Brennstoffelemente, welche aus einem zusammenpreßbaren nichtleitfähigen Träger besteht, auf dessen einer Seite eine Schicht aus leitendem Material aufgebracht ist.

Aus der deutschen Patentschrift 922178 ist ein Verfahren zur Herstellung von aus Metallpulver gesinterten Akkumulatorenplatten bekannt, in die ein Metallrost und ein Stück Metallgaze als Verstärkung eingearbeitet sind, bei dem nach einer Vorsinterung der poröse Formling gepreßt wird, und zwar so, daß auf einen Randstreifen ein sehr hoher Druck ausgeübt wird, um eine gute Bindung mit dem Metallrost und eine starke Verdichtung und damit Verfestigung des Materials in diesem Gebiet zu erreichen. Dadurch wird es möglich, die verfestigte Randzone mit Stanzwerkzeugen zu bearbeiten und so rationell in großen Mengen genau maßhaltige Akkumulatorenplatten herzustellen. Auf die restlichen Teile dieser ganz aus leitendem Material bestehenden Akkumulatorentrennplatten wird während des Pressens nur so viel Druck ausgeübt, daß eine gleichmäßige vorgegebene Stärke erreicht wird, ohne die Porosität des Materials mehr als nötig zu verringern. Es entstehen dabei also Platten mit verringerter Kantendicke.

In Brennstoffelementen, in welchen die Elektrode als Trennwand zwischen dem Elektrolyten und den elektrochemisch reagierenden Stoffen der Zelle dient, werden bekanntlich zweckmäßig Elektroden aus einem porösen zusammenpreßbaren nichtleitfähigen Träger verwendet, auf dessen eine Seite eine poröse Schicht aus leitendem Material aufgebracht ist.

Auch bei solchen Elektroden ist eine verdichtete Randzone erwünscht, um eine gute Abdichtung der einzelnen Kammern der Zelle gegeneinander zu erzielen, genauer gesagt, um ein Lecken des Inhalts der einen Kammer in die davon durch die poröse Elektrode getrennte benachbarte Kammer um die Elektrodenkante herum zu vermeiden. Diese Verdichtung der Randzone solcher Elektroden wurde bislang beim Einbau in die Zellen durchgeführt, in denen diese Art von Elektroden praktisch ausschließlich durch Einklemmen befestigt werden, indem man einfach einen entsprechend hohen Klemmdruck anwandte.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß diese scheinbar zweckmäßige, weil arbeitssparende Methode, poröse Elektroden dieses Typs mit einer verdichteten, gut abdichtenden Kante mit verringerter Dicke zu versehen, mit dem Nachteil behaftet ist, daß es beim auf diese Weise durchgeführten Pressen Verfahren zur Herstellung einer porösen
Elektrode für Brennstoffelemente

Anmelder:

»Shell« Research Limited, London

Vertreter:

Dr. E. Jung, Patentanwalt,

8000 München 23, Siegesstr. 26

Als Erfinder benannt:

Charles Stanley Giddy,

Heswall, Cheshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. Juni 1962,

vom 1. Mai 1963 (24 876)

der Elektrode zu einer Schädigung der leitenden Schicht kommt, durch die die Leistung der Zelle beeinträchtigt wird. Diese Schädigung der leitenden Schicht beim Einbau der Elektrode kann vermieden werden, wenn die Kantendicke durch Pressen in bestimmter Weise verringert wird.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode mit verringerter Kantendicke für Brennstoffelemente, welche aus einem zusammenpreßbaren nichtleitfähigen Träger besteht, auf dessen einer Seite eine Schicht aus leitendem Material aufgebracht ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Träger mitsamt der leitfähigen Schicht zwischen zwei Preßflächen derart gepreßt wird, daß nur der Träger in der Kantenzone von der der leitfähigen Schicht abgewandten Seite her verdichtet, die leitfähige Schicht aber nicht gepreßt wird, wobei die während des Preßvorganges mit der leitenden Schicht in Berührung stehende ebene Preßfläche sich in allen Punkten längs der Elektrodenkante über dieselbe hinauserstreckt.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese Pressung vor dem endgültigen Zusammenbau der Zellen durchzuführen. Dies kann erfolgen durch Vorpressen der Elektroden zwischen einer ebenen Fläche, auf der die gesamte leitende Schicht der Elektrode aufliegt, und einem Preßstempel, der nur auf denjenigen Teilen der Elektrode aufliegt, die durch Zusammenpressen verdichtet werden sollen.

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Das Pressen kann jedoch auch beim Zusammen- Kantendichtung 4 umgibt eine von ihr durch einen bau der Zelle erfolgen, wenn man während des Preß- Spalt 12 getrennte Elektrode, bestehend aus einem Vorganges einen Randstreifen der leitenden Schicht porösen zusammenpreßbaren nichtleitfähigen Trader Elektrode auf einer von einem Bauteil der Zelle, ger 5 und einer porösen leitfähigen Schicht 6. Die z. B. einem Stromableiter, gebildeten ebenen Preß- 5 Elektrode wird durch einen gasundurchlässigen fläche aufliegen läßt, der breiter ist als der Rand- Distanzring 7 aus nichtleitendem Material von einer streifen der Trägerseite der Elektrode, gegen den ein gleichen, jedoch spiegelbildlich zu ihr angeordneten als Preßstempel dienendes anderes Bauteil der Zelle, Elektrode getrennt, auf deren leitender Schicht ein z. B. ein Distanzring, drückt. weiterer Stromableiter 3 aufliegt. Zwei Elektroden, In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich io deren Träger einander zugewandt sind, und ein die Angabe »leitend« und von diesem Begriff abge- Distanzring 7 umschließen jeweils eine Elektrolytleitete Ausdrücke stets auf die elektrische Leit- kammer 9. Von den beiden einander gegenüberfähigkeit. liegenden leitenden Schichten 6 zweier Elektroden Der Träger kann aus einem beliebigen porösen, und einem Distanzring 2 bzw. von der leitenden zusammenpreßbaren nichtleitfähigen Material be- 15 Schicht 6 einer Elektrode und der Innenseite einer stehen, das gegen den in der Zelle verwendeten Endplatte 1 sowie einem Distanzring 2 wird jeweils Elektrolyten beständig ist. Mikroporöses Polyvinyl- ein Gasraum 10 umschlossen. Die Distanzringe 2 chlorid ist besonders geeignet. bzw, 7 enthalten (nicht dargestellte) Leitungen, durch Die auf den Träger aufgebrachte, leitfähige Schicht die Gas bzw. Elektrolyt in die Gasräume 10 bzw. kann aus einem Material, das als Katalysator für die 20 die Elektrolytkammern 9 hinein- bzw. aus diesen spezielle Elektodenreaktion wirkt, bestehen oder mit herausströmen. Der Stromableiter 3 ist mit Auseinem solchen Material überzogen sein. Im allge- nähme des Randbereiches weit ausgeschnitten, damit meinen enthält die leitende Schicht eine dünne das Gas aus dem Gasraum 10 an die leitende Schicht eines Metalls, z. B. Silber, Gold, Palladium, Schicht 6 der Elektrode gelangen kann. Das in Platin, Osmium, Iridium, Rhodium, Mangan, Kupfer, 25 Fig. 1 dargestellte Brennstoffelement weist drei Gas-Nickel oder Blei, oder einer Metall-Legierung. Die räume 10 und zwei Elektrolytkammern 9 auf. Die leitfähige Schicht der Elektrode kann auch Kohlen- Bauteile des Brennstoffelementes werden durch BoI-stoff enthalten. zen 8 zusammengehalten, welche von einem Ende Zur Herstellung der Elektroden wird ein mikro- zum anderen durch das Brennstoffelement verlaufen, poröser nicht leitfähiger Träger, insbesondere aus 30 Wenn die Bolzen 8, welche die Bauteile des Brenn-Polyvinylchlorid, durch Vakuumbedampfung auf Stoffelementes zusammenhalten, festgezogen werden, einer Seite mit einem dünnen Silberfilm überzogen. werden die Elektroden durch die Preßwirkung eines Dieser Film wird zunächst durch Aufgalvanisieren Stromableiters 3 auf der Seite der leitenden Schicht von weiterem Silber verstärkt und dann durch galva- und eines Distanzringes 7 auf der Trägerseite jeweils nische Abscheidung einer Palladiumschicht, auf die 35 längs ihrer Kante auf die Dicke der ringförmigen gegebenenfalls noch eine Schicht von Palladium- Kantendichtung 4 zusammengepreßt. Dadurch werschwarz aufgebracht werden kann, aktiviert und den die Elektroden am Rand verdichtet und so abfertiggestellt. Eine solche Elektrode ist in der bri- gedichtet, daß weder von der leitenden Seite der tischen Patentschrift 874 283 beschrieben. Elektrode um deren Rand herum Gas auf die Träger-Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen 40 seite noch umgekehrt von der Trägerseite der Eleksich Elektroden mit beliebiger Form herstellen. Die trade um deren Rand herum Elektrolyt zur leitenden nachstehend beschriebene Herstellung kreisrunder Seite der Elektrode strömen kann.
Elektroden ist dabei nur ein bevorzugtes Beispiel. Wenn eine nicht nach dem erfindungsgemäßen Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Verfahren hergestellte, d. h. nicht vorgepreßte Elek-Zeichnung im einzelnen erläutert. 45 trode beim Zusammenbau eines Brennstoffelementes Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Brennstoffelement in der vorstehend beschriebenen Weise einem Preßfür gasförmige Brennstoffe in einer lotrechten, senk- Vorgang unterworfen wird, so werden, wie in F i g. 3 recht auf der Fläche der Elektrode stehenden Ebene; mit gestrichelten Linien 13 dargestellt ist, beide Sei-Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Elektrode und ten der Elektrode verformt, wobei durch die vom durch Preßwerkzeuge, mit denen sie gerade in er- 50 Stromableiter 3 ausgeübte Preßwirkung die leitende findungsgemäßer Weise vorgepreßt wird, in einer Schichte insbesondere an den Punkten beschädigt senkrecht auf der Elektrodenfläche stehenden Ebene; wird, an welchen sie einen guten elektrischen Kontakt

F i g. 3 ist ein analog F i g. 1 gelegter Schnitt durch mit dem Stromableiter 3 besitzen sollte,
den Randteil einer in einer Zelle montierten erfin- Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch dungsgemäß hergestellten Elektrode mit einer Kan- 55 nur die Trägerseite der Elektrode verformt. Die leitendichtung; tende Schicht wird beim Einbau der Elektrode, wenn, F i g. 4 ist ein analog F i g. 1 gelegter Schnitt durch wie in F i g, 2 dargestellt, die Elektrode vor dem Zuden Randteil einer in einer Zelle montierten erfin- sammenbau der Zelle gegen eine ebene Preßunterdungsgemäß (nach der Ausführungsform von Spalte 3, lage 15 vorgepreßt wird, nicht beschädigt. Als Preß-Absatz 1) hergestellten Elektrode mit einer Kanten- 60 stempel zum Vorspressen wird bei kreisförmigen dichtung. Elektroden zweckmäßigerweise ein Preßring 16 ver-Das in Fig.! wiedergegebene Brennstoffelement wendet, dessen Innendurchmesser nur geringfügig weist an beiden Enden je eine Endplatte 1 aus nicht- kleiner ist als der des Distanzringes 7. Man preßt leitendem, gasundurchlässigem Material auf, auf die zweckmäßig so stark, daß die Kantendicke der Elekvon außen nach innen je ein ebenfalls aus nicht- 65 trode nur weniger größer ist als die Dicke der Kanleitendem, gasundurchlässigem Material bestehender tendichtung 4. Bei so hergestellten Elektroden kann Distanzring 2, ein Stromableiter 3 und eine Kanten- die Schädigung der leitenden Schicht der Elektrode dichtung 4 aus nichtleitendem Material folgen. Die beim Einbau in die Zelle klein gehalten oder vollstän-

dig vermieden werden (vgl. in Fig. 3 die ausgezogenen Begrenzungslinien der Elektrode mit den gestrichelten Linien 13), wodurch die Leistung der Zelle wesentlich erhöht wird.

Die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Ergebnisse von Vergleichsversuchen lassen die vorteilhaften Eigenschaften von erfindungsgemäß hergestellten Elektroden erkennen. Die Versuche werden mit porösen zusammenpreßbaren, etwa 0,075 cm starken Elektroden mit einer Kantendichtungsdicke von etwa 0,025 cm durchgeführt. Alle Elektroden haben die gleiche effektive Oberfläche von je cm². Als Brennstoff wird Wasserstoff und als Oxydationsmittel Sauerstoff verwendet.

Der Elektrolyt ist 6 n-KOH. Die Versuche werden bei Zimmertemperatur durchgeführt.

Versuch Nr.	Zahl der Elektrodenpaare im Brennstoff element	Behandlung der Elektroden	Spannung (V)	Stromdichte (mA/cm2)	Leistung (Watt)
1 2 3 4 5	1 5 21 5 21	keine keine keine vorgepreßt vorgepreßt	V2 2Va IOV2 2V2 IOV2	67 46 26 70 76 bis 80	15V8 52Va 120 bis 140 80 367 bis 388

Ein Vergleich von Versuch 2 mit Versuch 4 und von Versuch 3 mit Versuch 5 zeigt, daß erfindungsgemäß hergestellte Elektroden eine Leistung ergeben, die wesentlich größer ist als die Leistung, die mit Elektroden erzielt wird, die in der üblichen Weise hergestellt worden sind.

Denselben Effekt kann man erzielen, wenn man eine nicht oder nur wenig vorgepreßte Elektrode gemäß der in Spalte 3, Absatz 1, beschriebenen Ausführungsform der Erfindung beim Einbau in die Zelle preßt. Diese Ausführungsform der Erfindung erläutert F i g. 4. Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, sind im Gegensatz zu F i g. 3 der Distanzring 2 und der Stromableiter 3 wesentlich breiter als der Distanzring 7, so daß der Randstreifen der leitenden Schicht 6 der Elektrode, der auf der vom Stromableiter 3 — der seinerseits vom Distanzring 2 unterstützt wird — gebildeten ebenen Preßfläche aufliegt, breiter ist als der Randstreifen der Trägerseite 5 der Elektrode, gegen den der beim Zusammenschrauben der Zelle mittels der Bolzen 8 als Preßstempel wirkende Distanzring 7 drückt.

Claims (3)

Patentansprüche: 45

1. Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode mit verringerter Kantendicke für Brennstoffelemente, welche aus einem zusammenpreßbaren nichtleitfähigen Träger besteht, auf dessen einer Seite eine Schicht aus leitendem Material aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mitsamt der leitfähigen Schicht zwischen zwei Preßflächen derart gepreßt wird, daß nur der Träger in der Kantenzone von der der leitfähigen Schicht abgewandten Seite her verdichtet, die leitfähige Schicht aber nicht gepreßt wird, wobei die während des Preßvorganges mit der leitenden Schicht in Berührung stehende ebene Preßfläche sich in allen Punkten längs der Elektrodenkante über dieselbe hinaus erstreckt.

2. Verfahren zur Herstellung kreisförmiger Elektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der nichtleitenden Seite der Elektrode ein Preßring verwendet wird.

3. Verfahren zum Einbau einer nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten Elektrode in ein Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einer Kantendichtung (4) versehen wird, welche um die Elektrode ringsherum und dicht an der Umf angsfläche derselben aufliegt und welche überdies eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Kantendicke der gepreßten Elektrode, und daß die Elektrode beim Zusammenbau der Zelle derartig nachgepreßt wird, daß ihre Dicke der Dicke der Kantendichtung gleich oder wenigstens ungefähr gleich ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 564 424, 922178.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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