DE1421359A1 - Process for the production of porous oxygen electrodes - Google Patents

Process for the production of porous oxygen electrodes

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Walter Dr Gerhard
Krupp Dr Helmar
Alfons Koehling
Kurt Richter
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Description

Robert Bosch GmbH, Stuttgart 2.J.J. I968Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 2nd year 1968

Verfahren zur Herstellung von porösen Sauerstoff-Elektroden Process for the production of porous oxygen electrodes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Sauerstoff-Elektroden mit Silber-Katalysator, insbesondere für elektrochemische Brennstoffzellen, bei dem ein poröser elektrisch leitender Elektrodenkörper mit der Lösung eines zu Silber reduzierbaren Silbersalzes getränkt, getrocknet und die Süberverbindung bei Temperaturen unter ihrer thermischen Zersetzungstemperatur zum Katalysator reduziert wird.The invention relates to a method for producing porous Oxygen electrodes with silver catalyst, especially for electrochemical fuel cells, in which a porous electrically conductive electrode body with the solution of a reducible to silver Silver salt soaked, dried and the super compound at temperatures below their thermal decomposition temperature Catalyst is reduced.

Es ist bekannt, Sauerstoff an einer Gaselektrode elektrochemisch zu reduzieren. Zur Herstellung einer solchen Elektrode wird beispielsweise eine poröse Kohle mit den Lösungen von mindestens zwei Sehwermetallsalzen getränkt. Diese werden dann thermisch bei höherer Temperatur zu den Metalloxyden bzw. Metallen zersetzt, die zusammen einen wirksamen Katalysator bilden.It is known to electrochemically apply oxygen to a gas electrode to reduce. To produce such an electrode, for example a porous charcoal impregnated with the solutions of at least two sehwermetal salts. These are then thermally at higher Temperature decomposes to the metal oxides or metals, which together form an effective catalyst.

Außerdem ist bekannt, Silber als Katalysator für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff zu verwenden. Eine hierfür geeignete Elektrode mit Raney-Silber als Katalysator erhält man, wenn man beispielsweise eine pulverförmige Silber-Aluminium-Legierung als Prokatalysator mit Karbonylnickelpulver als Gerüstmaterial mischt, aus der Mischung eine Elektrode durch Sinterung bildet und aus der Legierung üas Aluminium herauslöst. Wegen der nieddtgen Schmelztemperatur der Silber-Aluminium-Legierung kann kein Kohlepulver als Gerüstmaterial verwendet werden.Silver is also known as a catalyst for electrochemical Use reduction of oxygen. A suitable electrode with Raney silver as a catalyst is obtained if For example, mixing a powdery silver-aluminum alloy as a procatalyst with carbonyl nickel powder as a framework material, an electrode is formed from the mixture by sintering and from the Alloy that dissolves aluminum. Because of the low melting temperature With the silver-aluminum alloy, carbon powder cannot be used as a framework material.

Für die katalytische Wirkung des Silbers ist die Korngröße der einzelnen Silberkristalle von entscheidender Bedeutung. ZersetztFor the catalytic effect of silver, the grain size is the individual silver crystals are of vital importance. Decomposed

90980 8/0^5190980 8/0 ^ 51

Unterlagen lArt.7i1Aba.2Nr.1Sctz3de8Änderungsges.y,4.9.T967L 2 -Documents lArt.7i1Aba.2Nr.1Sctz3de8Änderungsges.y, 4.9.T967L 2 -

-2- ' 25.7-.68 --2- '25.7-.68 -

man das Silbersalz thermisch,, so sind die hierfür erforderlichen Temperaturen so hoch, daß sich die aus dem Silbersalz freigesetzten Silberatame, soweit sie sich irgendwie berühren, zu kleinen wohlgeordneten Einkristallen zusammenfinden. Die Bildung von Einkristallen aber verringert die Oberfläche des im Träger verteilten Silbers und setzt die katalytische Aktivität erheblich herab. Zur Verhinderung der Einkristallbildung wurden daher bei einer der bekannten Elektroden die Verwendung von mindestens zwei S&zen -verschiedener Schwermetalle gefordert. Bei der bekannten Elektrode, die Raney-Silber enthält,' ist die Rücksichtnahme auf die Höhe der Temperatur bei der Sinterung des Elektrodenkörpers nicht erforderlich, da das Aluminium erst hinterher aus der Legierung bei normalen Temperaturen herausgelöst wird und damit keine Gefahr der Einkristallbildung besteht.if the silver salt is thermally, then the necessary for this are necessary Temperatures so high that they are released from the silver salt Silver atams, as far as they somehow touch one another, to small, well-ordered ones Find single crystals together. The formation of single crystals, however, reduces the surface area of the silver distributed in the carrier and considerably reduces the catalytic activity. To prevent For single crystal formation, one of the known electrodes therefore involved the use of at least two different heavy metals required. With the known electrode, which contains Raney silver, ' is the consideration of the temperature level during sintering of the electrode body is not required, as the aluminum is only is subsequently dissolved out of the alloy at normal temperatures and there is therefore no risk of single crystal formation.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff-Elektroden mit Silberkatalysator, insbesondere für elektrochemische Brennstoffzellen, zu entwickeln, bei dem auf die Verwendung eines zweiten Schwermetallsalzes verzichtet werden kann und das Silber dennoch in feiner Verteilung auf der Oberfläche der Elektrode vorliegt.The invention was based on the object of a method for production of oxygen electrodes with silver catalyst, especially for electrochemical fuel cells, in which the use of a second heavy metal salt can be dispensed with and the silver nevertheless in a fine distribution on the surface of the Electrode is present.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei Verwendung eines porösen, elektrisch leitenden Elektrodenkörpers, der mit der Lösung eines zu Silber reduzierbaren Silbersalzes getränkt^ getrocknet und die Silberverbindung hierauf bei Temperaturen unter ihrer thermischen Zersetzungstemperatur zum Katalysator reduziert wird, erfindungsgemäß darin, 'daß Silberkarbonat in den Poren des Elektrodenkörpers abgeschieden wird. <;·:>The solution to the problem consists in using a porous, electrically conductive electrode body, which with the solution of one to silver reducible silver salt soaked ^ dried and the silver compound is then reduced to the catalyst at temperatures below its thermal decomposition temperature, according to the invention therein, 'That silver carbonate deposited in the pores of the electrode body will. <; ·:>

Das Silberkarbonat wird zu diesem Zweck in ammoniakalischer Ammonkarbonatlösung aufgelöst und mit der Lösung eine poröse Graphitscheibe in der Wärme getränkt. Um zu vermeiden, daß das Siberkarbonat beim Trocknen wieder aus den Poren herauskriecht, wird der getränkte Körper gefriergetrocknet, wobei fein verteiltes Silberkarbonat und etwas Ämraonkarbonat in den Poren zurückbleibt. Danach wird der Graphitkörper in Wasserstoff auf eine Temperatur von 1500C erhitzt.For this purpose, the silver carbonate is dissolved in ammoniacal ammonium carbonate solution and a porous graphite disk is soaked in the heat with the solution. In order to prevent the silver carbonate from creeping out of the pores during drying, the soaked body is freeze-dried, with finely divided silver carbonate and some ammonium carbonate remaining in the pores. The graphite body is then heated to a temperature of 150 ° C. in hydrogen.

OUÖ ^" "" «*ΦΌ£ φ 0 '8^- β'θ· S-U - u8 An^rurw ν. 4. OUÖ ^ """« * ΦΌ £ φ 0 '8 ^ - β'θ · SU - u 8 An ^ rurw ν. 4.

Dabei verflüchtigt sieh das Ammonkarbonat und das Silberkarbonat wird reduziert. Wegen der niedrigen Herstellungstemperatur stellt das erzeugte, fein verteilte Silber einen sehr aktiven Katalysator dar. Die Porosität des Elektrodenkörpers kann so gewählt werden, daß der Druek, unter dem man den Sauerstoff oder die Luft durch die Elektrode hindurchströmen laßt, höchstens 0,5 atü beträgt.The ammonium carbonate and the silver carbonate evaporate is reduced. Because of the low production temperature, the finely divided silver produced is a very active catalyst The porosity of the electrode body can be chosen so that the pressure under which one passes the oxygen or the air through the Let the electrode flow through it, is at most 0.5 atmospheres.

'Bei derartigen mit Sauerstoff beschichteten Elektroden wird in 6-normaler Kaliumhydroxydlösung bei einer Temperatur von 80°C ein Ruhepotential gegen eine Wasserstoff-Elektrode in derselben Lösung von 1080 mV gemessen. Unter Belastung mit einer Stromdichte von 100 mA/cm sinkt das Potential auf 88O mV ab und beträgt bei 200 mA/cm Stromdichte noch 730 mV. Die Polarisation wird von der Porosität der verwendeten Elektrodenkörper beeinflußt.'In the case of such electrodes coated with oxygen, in 6 normal potassium hydroxide solution at a temperature of 80 ° C has a resting potential against a hydrogen electrode in the same Solution of 1080 mV measured. When exposed to a current density of 100 mA / cm, the potential drops to 880 mV and is at 200 mA / cm current density still 730 mV. The polarization is determined by the Affects the porosity of the electrode body used.

Als poröse Elektrodenkörper kann man außer Graphit auch metallische Sinterkörper verwenden. Diese Sinterkörper müssen mit großer Porosität aus feinen Pulvern von z.B. NJckel, Kobalt oder Stahl hergestellt werden. Man kann auch ein poröses Kunststoffgerüst verwenden, in dem zunächst Nickel abgeschieden wird, um die elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen.In addition to graphite, metallic electrodes can also be used as porous electrode bodies Use sintered bodies. These sintered bodies have to be made of fine powders of e.g. nickel, cobalt or steel with a high porosity getting produced. You can also use a porous plastic framework in which nickel is first deposited in order to achieve the to generate electrical conductivity.

Im folgenden wird das Verfahren nach der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispils erläutert.In the following the method according to the invention is based on a Execution examples explained.

In heißer ammoniakaliseher Arnmonkarbonatlösung wird soviel Silberkarbonat aufgelöst, daß die Lösung etwa eine Konzentration von 500 g/l besitzt. In diese Lösung wird eine > mm dicke Graphitseheibe mit 60 % Porosität eingetaucht, die vorher mit mäßig konzentrierter Salpetersäure ausgekocht, gewässert und getrocknet worden ist. Nach dem Herausziehen wird der getränkte Graphitkörper kurz mit Wasser abgespült und zum Gefriertrocknen eingefroren. Der trockene Elektrodenkörper wird dann im Wasserstoff auf eine Temperatur von 1500C erhitzt, um das in den Poren befindliche Silberkarbonat zu reduzieren und das außerdem vorhandene Ammonkarbonat zu verflüchtigen. Die Elektrode wird nun in einen mit Stromableitungsdraht und Gaszufuhrrohr versehenen flachen Halter, z.B. aus Plexiglas eingeklebt. In hot ammoniacal ammonium carbonate solution, enough silver carbonate is dissolved that the solution has a concentration of about 500 g / l. A> mm thick graphite disc with 60% porosity, which has previously been boiled with moderately concentrated nitric acid, watered and dried is immersed in this solution. After pulling it out, the soaked graphite body is briefly rinsed with water and frozen for freeze-drying. The dry electrode body is then heated in hydrogen to a temperature of 150 0 C to reduce the silver carbonate in the pores and to volatilize the ammonium carbonate also known. The electrode is now glued into a flat holder, for example made of Plexiglas, provided with a current discharge wire and a gas supply tube.

:~i".(i UiUv QflQfi/lfi /nOC1 · : ~ i ". (i UiUv QflQfi / lfi / nOC1 ·

- 4 - 25.7.68- 4 - 25.7.68

Der Halter ist so geformt, daß nur die eine Seite der Elektrode mit dem Elektrolyten in Berührung kommt und dann Luft oder Sauerstoff durch sie hindurchgedrückt werden kann. Auf die geschilderte Weise ist eine Elektrode erhalten worden, die nur etwa 30 mg Silber jeThe holder is shaped so that only one side of the electrode with comes into contact with the electrolyte and air or oxygen can then be forced through it. In the manner described an electrode has been obtained that only contains about 30 mg of silver each

ρ
cm Querschnittsfläche enthält und die mit Luft oder Sauerstoff bei einem Druck von etwa 0,j5 atü betrieben werden kann. Sie ist für die Verwendung/Deiner Brennstoffzelle mit alkalischem Elektrolyt vorzüglich geeignet.
ρ
cm cross-sectional area and which can be operated with air or oxygen at a pressure of about 0.15 atm. It is excellently suited for the use / your fuel cell with alkaline electrolyte.

Eine andere Methode, die zu noch aktiverem Silber führt, besteht darin, den Silbernitrat enthaltenden, trockenen Elektrodenkörper in eine Natriumkarbonatlösung zu tauchen. Das Silbernitrat wird dadurch in Silberkarbonat umgewandelt. Man kann den Elektrodenkörper nun trocknen und dann das Silberkarbonat bei niedriger Temperatur mit Wasserstoff reduzieren. Einfacher ist es jedoch, den Elektrodenkörper in der Natriumkarbonatlösung zu belassen und das Silberkarbonat elektrochemisch zu reduzieren. Hierbei wird er kathodisch mit einer solchen Stromdichte belastet, daß das Potential immer über dem Wasserstoffpotential bleibt. Nach dem Einbau in einen
Halter ist die Elektrode nun für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff unter dem geringen Überdruck von etwa 0,5 atü in einem alkalischen Elektrolyt betriebsbereit.
Another method that results in even more active silver is to soak the dry electrode body containing silver nitrate in a sodium carbonate solution. The silver nitrate is thereby converted into silver carbonate. You can now dry the electrode body and then reduce the silver carbonate with hydrogen at a low temperature. However, it is easier to leave the electrode body in the sodium carbonate solution and to reduce the silver carbonate electrochemically. Here it is cathodically loaded with such a current density that the potential always remains above the hydrogen potential. After installing in a
Holder, the electrode is now ready for use for the electrochemical reduction of oxygen under the slight overpressure of about 0.5 atü in an alkaline electrolyte.

909808/0951909808/0951

·:. ν J -j· :. ν J -j

Claims (5)

Neue AnsprücheNew demands fl.i Verfahren zur Herstellung von porösen Sauerstoff-Elektroden mit Silberkatalysator, insbesondere für elektrochemische Brennstoffzellen, bei dem ein poröser, elektrisch leitender Elektrodenkörper mit der Lösung eines zu Silber reduzierbaren Silbersalzes getränkt, getrocknet und die Silberverbindung hierauf bei Temperaturen unter ihrer thermischen Zersetzungstemperatur zum Katalysator reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Silberkarbonat in den Poren des Elektrodenkörpers abgeschieden wird.fl.i process for the production of porous oxygen electrodes with Silver catalyst, especially for electrochemical fuel cells, in which a porous, electrically conductive electrode body with the solution of a silver salt reducible to silver soaked, dried and the silver compound then at temperatures below its thermal decomposition temperature Catalyst is reduced, characterized in that silver carbonate is deposited in the pores of the electrode body. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klektrodenkörper mit Silbernitrat getränkt, dann in eine Natriumkarbonatlösung getaucht wird und das sich hierbei bildende SilberkarborEt anschließend reduziert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the The electrode body is soaked in silver nitrate, then immersed in a sodium carbonate solution and the resulting SilberkarborEt is then reduced. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von porösen Graphitkörpern als Elektrodenkörper.3. The method according to claim 1 and 2, characterized by the use of porous graphite bodies as electrode bodies. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von porösen, metallisierten Kunststoffkörpern als Elektrodenkörper.4. The method according to claim 1 and 2, characterized by the use of porous, metallized plastic bodies as electrode bodies. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von porösen, metallischen Sinterkörpern als Elektrodenkörper. 5. The method according to claim 1 and 2, characterized by the use of porous, metallic sintered bodies as electrode bodies. 909808/0951909808/0951
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