DE1421355A1 - Process for the manufacture of porous electrodes for electrochemical devices - Google Patents
Process for the manufacture of porous electrodes for electrochemical devicesInfo
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Description
' * -1· iJ°9 Sta/uk' * - 1 · iJ ° 9 Sta / uk
Η2Ί355Η2Ί355
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)Public limited company Brown, Boveri & Cie., Baden (Switzerland)
Verfahren zur Herstellung von porösen Elektroden für elektrochemische VorrichtungenProcess for the manufacture of porous electrodes for electrochemical devices
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode für elektrochemische Vorrichtungen durch Zusammenbringen eines katalytisch aktiven Metalls mit einem katalytisch inaktiven, in einer Lauge oder Säure löslichen Metall und anschliessendem Herauslösen des löslichen Bestandteiles. The invention relates to a method for producing a porous electrode for electrochemical devices by Combining a catalytically active metal with a catalytically inactive metal that is soluble in an alkali or acid Metal and then dissolving out the soluble component.
Zur Herstellung einer Elektrode dieses Typs für Brennstoffelemente wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem diese katalytisch aktiven Metalle in Pulverform mit einem Pulver der genannten katalytisch inaktiven Metalle gemischt und zu einem festen Formkörper gepresst und gesintert werden und der Formkörper anschliessend zur Herauslösung der inaktiven Komponente mit Alkalilauge behandelt wird. Solche Elektroden werden in der Folge als Monoskelett-Katalysator-Elektroden bezeichnet.For making an electrode of this type for fuel elements a method has been proposed in which these catalytically active metals in powder form with a powder of said catalytically inactive metals are mixed and pressed and sintered to form a solid shaped body and the shaped body is then treated with alkali to dissolve out the inactive component. Such electrodes are hereinafter referred to as monoskeleton catalyst electrodes.
ßßi diesen» vorgeschlagenen Verfahren entsteht bejhvi Mischen der Metallpulver zwischen den aktiven und den inaktiven np,G(NAL In this proposed process, mixing of the metal powder between the active and the inactive np , G (NAL
009841/138* ' BAD 009841/138 * ' BAD
- B - 143/62- B - 143/62
H21355H21355
Metallkörnern eine Grenzflächenverbindung, die sich durch die anschliessende Wärmebehandlung als Schicht auf den aktiven Metallkörnern befindliche Phasen zwischen den beiden Metallen überführen lässt. Solche Phasengemische, aus denen das inaktive Metall herausgelöst wird, führen zu aktiven Metalloberflächen, die besonders gute katalytisehe und elektrochemische Eigenschaften haben. Es zeigt sich aber, dass nach dieser Behandlung die Mischphasen nur in geringem Masse auftreten, so dass sie für die katalytischen Eigenschaften und damit für die elektrochemische Brauchbarkeit des Elektrodenmaterials gegenüber dem aktiven Metall kaum Vorteile bringen, weil sich beim Herauslösen des inaktiven Metalls aus geordneten Mischphasen die aktiven Metallatome neu gruppieren. Metal grains form an interfacial compound, which, as a result of the subsequent heat treatment, forms a layer on the active Can transfer metal grains located phases between the two metals. Such phase mixtures from which the inactive metal is dissolved out, lead to active metal surfaces that are particularly good catalytic and electrochemical Have properties. It turns out, however, that after this treatment the mixed phases are only slight occur so they for the catalytic properties and thus hardly any advantages for the electrochemical usability of the electrode material compared to the active metal because when the inactive metal is dissolved out of the ordered mixed phases, the active metal atoms regroup.
Durch die Erfindung soll eine Monoskelett-Katalysator-Elektrode geschaffen werden, deren katalytisehe und elektrochemische Eigenschaften aufgrund mehrphasiger Schichten auf der Oberfläche der katalytisch aktiven Metallkörnern besonders vorteilhaft sind.The invention is intended to provide a monoskeleton catalyst electrode are created whose catalytic and electrochemical properties due to multiphase layers the surface of the catalytically active metal grains are particularly advantageous.
Das Verfahren zur Erzeugung einer Monoskelett-Katalysator-Elektrode für elektrochemische Vorrichtungen gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch aktive Metallpulver mit dem katalytisch Inaktiven Metallpulver unter Anwendung von mechanischen Druck gemischt wird und dass d r FoMnköiv^r vor dem Sintern bet einer Temperauu* getempert > rd, bei der noch kein Verglühen auftritt.The method of making a monoskeleton catalyst electrode for electrochemical devices according to the invention is characterized in that the catalytic active metal powder is mixed with the catalytically inactive metal powder using mechanical pressure and that the foMnköiv ^ r bet a temperau * tempered> rd, at which no glowing occurs.
6ADOnk-iAL6ADOnk-iAL
H21355H21355
Das Mischen unter mechanischem Druck unterscheidet sich von dem herkömmlichen Mischen durch einfaches Rühren, Schütteln usw., beispielsweise in einem würfelförmigen Behälter, dadurch,dass das Pulvergemisch beim Mischvorgang gleichzeitig gepresst wird. Dies geschieht beispielsweise in einem rotierenden Gefäss, in welchemMixing under mechanical pressure is different from conventional mixing by simply stirring, shaking, etc., for example in a cube-shaped container, in that the powder mixture is pressed at the same time during the mixing process. This happens, for example, in a rotating Vessel in which
U21355U21355
das Pulver gleichzeitig durch eine walzenartige Vorrichtung gepresst wird. Hierbei kommen Drucke zur Anwendung, die eine plastische Deformation der inaktiven Netallkörner bewirken.the powder is pressed simultaneously through a roller-like device. Here, prints are used, which cause a plastic deformation of the inactive metal grains.
Bei einem Pulvergemisch, das unter mechanischem Druck gemischt wurde, bilden sich nach einer Wärmebehandlung auf der Oberfläche der aktiven Netallkörner in grossem Ausmasse mehrphasige Schichten, die beispielsweise bei Verwendung von Nickel als katalytisch aktives und Aluminium als inaktives Netall in der Zusammensetzung NiAl, und NIgAl. vorliegen. Nach Herauslösen der inaktiven Netallkonponente, im vorliegenden Beispiel des Aluminiums, bilden diese Schichten eine äusserst aktive Oberfläche.A powder mixture that has been mixed under mechanical pressure will form on the surface after heat treatment of the active metal grains to a large extent multiphase layers, which, for example, when using nickel as catalytic active and aluminum as inactive metal in the composition NiAl and NIgAl. are present. After releasing the inactive metal components, in the present example aluminum, they form Layers create an extremely active surface.
Ein weiterer Vorteil des Mischens unter mechanischem Druck ist das gleichzeitig erfolgende Aufreissen einer möglicherweise vorhandenen Oxydschicht auf den Oberflächen der inaktiven Netallkörner. Dadurch wird die Wechselwirkung zwischen aktiven und den inaktiven Metallkörnern wesentlich verbessert, so dass nach dem Mischen und der Wärmebehandlung die aktiven Metallkörner die erwünschten Nischphasen auf der ganzen Oberfläche aufweisen. Dieser Vorteil ist besonders gross bei Inaktiven Netallen wie Aluminium, die sehr leicht oxydleren.Another benefit of mixing under mechanical pressure is the simultaneous tearing of a possibly existing oxide layer on the surfaces of the inactive metal grains. This significantly improves the interaction between the active and the inactive metal grains, so that after the mixing and the heat treatment, the active metal grains have the desired mixing phases over the entire surface. This advantage is particularly large with inactive nets such as aluminum, which is very easily oxidize.
Schllesslich besteht der Vorteil, dass die Sinterung der aktiven Netallkörner im Pressling zur Erzeugung eines' mechanisch festen Skeletts unter Bildung von Brücken zwischen der Mehrzahl der aktiven Metallkörner schon bei verhKltnlsmässig tiefen Temperaturen unterhalb der tiefsten Schmelztemperatur des Systems vorgenommenFinally, there is the advantage that the sintering is the active Metal grains in the pellet to create a mechanically strong skeleton with the formation of bridges between the majority of the active metal grains even at relatively low temperatures made below the lowest melting temperature of the system
143/62 -<--' H21355143/62 - <- 'H21355
werden kann. Beim Beispiel eines aus Nickel und Aluminium zusammengesetzten Pulvergemisch^ werden durch Sinterung bei 460° C bis 600° C mechanisch stabile Ni/Ni-BrUcken erzeugt, die auch durch die chemische Aktivierung, das Herauslösen des Aluminiums, im Gegensatz zu reinem Raney-Nickel nicht zerstört werden, so dass ein mechanisch stabiler Elektrodenkörper erhalten wird.can be. In the example of a powder mixture composed of nickel and aluminum, sintering at 460 ° C to 600 ° C Mechanically stable Ni / Ni bridges are created, which are also produced by chemical activation, the leaching of the aluminum, in contrast to pure Raney nickel cannot be destroyed, so a mechanically stable electrode body is obtained.
Es besteht die Möglichkeit, dass der nach dem Mischen ,unter mechanischem Druck und Fressen vorliegende Formkörper beim Erwärmen auf die Sintertemperatur verglühen und zusammenschmelzen kann, so dass schlieeslich In nachteiliger Weise eine Raney-Legierung vorliegt, die nicht mehr zu einer geformten Gasdiffusionselektrode verarbeitet werden kann. Diese nachteilige Erscheinung kann leicht vermieden werden, wenn der Formkörper vor dem Sintern bei einer Temperatur getempert wird, bei der noch kein Verglühen auftritt. Vorteilhafterwelse wird das Tempern in mehreren Schritten bei jeweils erhöhter Temperatur unterhalb der VerglUhungstemperatur vorgenommen. Hierauf kann die Sinterung ohne nachteilige Folgen durchgeführt werden und schliesslich die katalytisch inaktive Metallkomponente durch Behandlung mit Lauge oder Säure herausgelöst werden. Bei der schon erwähnten Verwendung von Nickel und Aluminium 1st es zweokmässig, die Temperung zwischen 350 C und 450 C vorzunehmen.There is the possibility that the molded body, which is present after mixing, under mechanical pressure and seizure, will open up when heated the sintering temperature can burn up and melt together, so that Finally, a Raney alloy is disadvantageously present, which can no longer be processed into a shaped gas diffusion electrode. This disadvantageous phenomenon can easily be avoided if the shaped body is tempered before sintering at a temperature at which no annealing occurs. Tempering is more advantageous in several steps, each time increased Temperature made below the glowing temperature. On that the sintering can be carried out without disadvantageous consequences and finally the catalytically inactive metal component can be dissolved out by treatment with alkali or acid. With the already mentioned use of nickel and aluminum, it is two-fold to carry out the tempering between 350 ° C and 450 ° C.
Anhand eines Beispiele soll die Herstellung einer Monoskelett-Katalyeator-Elektrode gemäss der Erfindung beschrieben werden.The production of a monoskeleton catalyst electrode according to the invention will be described using an example.
B* wird von einen Pulvergemenge ausgegangen, das zu yz Gewichtsprozenten au· Nickel und zu 68 Gewichtsprozenten aus Aluminium (entspre-B * is based on a powder mixture, yz percent by weight of nickel and 68 percent by weight of aluminum (corresponding
009841/1386009841/1386
145/62 - * -145/62 - * -
U21355 ί U21355 ί
chend je zu etwa 50 Atomprozenten) besteht. Die Korngrösse soll zwischen etwa 10 und.40fliegen. Das Pulver wird während einer Stunde in einer Druckmisch-Vorrichtung innigst vermischt. Anschlies send werden aus jeweils IJ g der Pulvermischung durch Pressen Formkörper von 40 mm Durchmesser hergestellt. Der Pressdruck beträgt 4 to/cm , womit eine VolumenfUllung von etwa 8θ£ erreicht wird. Hernach werden die Formkörper auf einer Nickelunterlage in ein Quarzrohr mit reinster Wasserstoffatmosphäre gebracht und vorerst während 2 Stunden bei 400° C und dann während 2 Stunden bei 440° C getempert. Anschllessend wird die Temperatur auf 550° C erhöht und bei dieser Temperatur während einer halben Stunde gesintert. Die Abkühlung erfolgt während 1 Stunde auf eine unterhalb 50° C liegende Temperatur. Aus den Sinterkörpern wird nun das Aluminium zur Aktivierung der inneren Oberflächen der Elektrode herausgelöst. Hierzu wird der Sinterkörper wie folgt behandelt:accordingly each to about 50 atomic percent) exists. The grain size should between about 10 and 40 fly. The powder is during a Thoroughly mixed in a pressure mixing device for an hour. Afterwards send molded articles with a diameter of 40 mm are produced from each 1J g of the powder mixture by pressing. The pressure is 4 to / cm, with which a volume filling of about 8θ £ is achieved. Afterwards, the shaped bodies are placed on a nickel base in a quartz tube with the purest hydrogen atmosphere and for the time being for 2 hours at 400 ° C and then for 2 hours at 440 ° C annealed. The temperature is then increased to 550 ° C. and sintered at this temperature for half an hour. the Cooling takes place for 1 hour to a temperature below 50 ° C. The aluminum is now turned from the sintered bodies Activation of the inner surfaces of the electrode released. For this purpose, the sintered body is treated as follows:
24 Stunden mit n/10 KOH bei 25° C, 24 Stunden mit 2n KOH bei 25° C, 24 Stunden mit 2n KOH bei 50° C, 24 Stunden mit 6n KOH bei 50° C und 24 Stunden mit 6n KOH bei 80° C.24 hours with n / 10 KOH at 25 ° C, 24 hours with 2n KOH at 25 ° C, 24 hours with 2N KOH at 50 ° C, 24 hours with 6N KOH at 50 ° C and 24 hours with 6n KOH at 80 ° C.
Hierbei ist es zweckmässig, der Kalilauge Weinsäure als Komplexbildner zuzusetzen.It is useful to add tartaric acid to the potassium hydroxide solution as a complexing agent.
009841/1386 - 6.=_009841/1386 - 6. = _
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