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Info

Publication number: DE1421491A1
Application number: DE19621421491
Authority: DE
Priority date: 1962-01-19
Filing date: 1962-02-05
Publication date: 1968-10-10
Also published as: CH396115A; NL287878A; US3238069A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe., Baden (Schweiz) Druokfeate Gasdiffusionselektrode

Die Erfindung betrifft eine druckfeste, in einen Elektrolyten getauchte Gasdiffusionselektrode, insbesondere für Brennstoffelemente.

Bekannte Gasdiffusionselektroden für Brennstoi'elemente bestehen aus porösen, katalytisch aktiven Körper , die meistens die Form einer runden Seheibe oder eines Zylinders aufweisen und in eine . leitenden Halter unter Verwendung einer Dichtung elngepxesst oder anderweitig befestigt sind. Dabei dient der Halter ale Gaszuführung und als Stromebleltung. Zwischen dem Halter und der einen Seite der Elektrode befindet sich ein Zwischenraum, der ob ermöglicht, das Gas glelohmäeslg an die ganze, dem Gas zugewandte Oberfläche der Elektrode heranzuführen. Die gegenüberliegende Seite der Elektrode steht mit einem die Ionen leitenden Blektro-

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lyten in Berührung. Die Elektrode selbst 1st nur an den Rändern festgehalten« so dass der zur Aufrechterhaltung der die Reaktionszone darstellenden Dreiphasengrenze zwischen dem Gas, dem Elektrolyten und dem Elektrodenmaterial notwendige Oasdruck auf die- ganze Fläche der Elektrode wirkt.

Da der Oasdruck einer Gasdiffusionselektrode durch die PorengrOsse vorgegeben 1st und die mechanische Festigkeit eines porösen Sinterkörpers beschränkt 1st, kann die Elektrode keine beliebig grosso FlKohe aufweisen. Eine Vergrößerung der Elektrodendioke ist nicht vorteilhaft« da damit nur eine schlechtere RaumausnUtzung bezogen auf die Leistung des Brennstoffelementes verbunden 1st,

Die Erfindung bezweckt die Verwirklichung einer Gasdiffusionselektrode mit einem auf die abgegebene Leistung bezogenen kleinen spezifischen Volumen und mit hoher Druckfestigkeit, derea Herstellung unter Vermeidung von Konstruktionselementen wie Dichtungen^, und Elektrodenhalter, die grossen Platzbedarf haben und zu Störungen Anlass geben, einfach ist.

Die Gasdiffusionselektrode gemäss der Erfindung 1st gekennzeichnet duroh einen als Oaszuleltungsraum dienenden, vorzugsweise ebenen, gasdurchlässigen Träger, zwei mit diesem fest verbundene, feinporige, mit dem Elektrolyten in Bertlh-

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rung stehende leitende Schichten, Mittel zur Einführung des Gases längs den Stirnselten des Trägers und Mittel zur Stromentnahme von den feinporigen Schichten.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Flg. 1 und 2 zeigen in der Aufsicht und im Schnitt ein AusfUhrungsbeispiel der Gasdiffusionselektrode. Mit 1 ist der ebene, gasdurchlässige Träger bezeichnet, der als Qaszuleitungsraum dient und der im gezeigten AusfUhrungsbeisplel ein grobporiger Sinterkörper ist. Auf seinen beiden Flächen ist er mit Je einer feinporigen, leitenden Schicht 2 fest verbunden. Längs den Stirnseiten des Trägers 1 und den feinporigen Schichten 2 ist ein mit dem Träger und den Schlohten verbundener, ein Hohlprofil aufweisender Rahmen 3 angebracht, weloher auf seiner Innenseite gegen den Träger gerichtete Oeffnungen 4 aufweist und welcher mit einem das gleiche Hohlprofil aufweisenden Stutzen 5 versehen ist.

Der Träger 1 dient nur als OaszufUhrungsraum Im Sinne einer Oastasohe. Aus diesem Grunde muss der Träger nicht aus einem katalytisch aktiven Material bestehen. Die mit dem Träger beidseitig fest verbundenen Schichten 2 sind die eigentli-

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ohen Arbeitsschichten« in oder an welchen sich die Dreiphasengrenze zwisohen dem Gas, dem Elektrolyten und dem Elektrodenmaterial auebildet. Diese Schichten bestehen vorzugsweise aus einem katalytisch aktiven Material. Die Gasdiffusioneelektrode 1st druckfest, da der durch die Porengrösse vorgegebene Gasdruck nicht auf die gesamte Oberfläche der Elektrode wirkt. Die Fläche wird vielmehr mit der gegenüberliegenden Begrenzung des Gasraumes durch viele brückenartige Verbindungen in kleine Flächen unterteilt. Das die feinporigen Sohiohten beanspruchende Biegungemoment wird somit unterteilt, weshalb die Beanspruchung weit unterhalb der Festigkeitsgrentae bleibt. Die Gasdiffusionselektrode weist ferner den Vorteil auf, dass mit Ausnahme des kleinflächigen, als Halterahmen, Oaszuleitung und Leitung zur Stromentnahme dienenden Hohlprofils JJ die ganze Oberfläche der Elektrode zur Stromerzeugung elektrochemisch ausgenutzt werden kann.

In Flg. 2 1st der Träger 1 als grobporige Schicht eingezeiohnet. Diese kann als poröser Sinterkörper in den Rahmen 3 durch Sintern befestigt werden· Ebenso können die feinporigen Schiohten 2 als Sinterkörper in den Rahmen befestigt werden.

In einer bevorzugten Ausführung ist eine aus Silber bestehen· de Gasdiffusionselektrode zux^nwendung als Sauerstoffelek-

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trode In einem die Ionon leitenden Elektrolyten eines Brennstoffelementes in der im folgenden beschriebenen Weise hergestellt. Die Erfindung ist aber keineswegs auf das genannte Metall und die genannte Anwendung beschränkt. Vielmehr R8nnen zur Herstellung der Gasdiffusionselektrode alle fUr derartige Anwendungen bekannten Materialien herangezogen werden. Die Elektrode 1st auch zur Verwendung mit einem anderen Gas als Sauerstoff geeignet.

Aus Silberrohr mit einem äusseren Durchmesser von 5 mm und einer Wandstärke von 1 mm wird ein im wesentlichen rechteckiger Rahmen mit abgerundeten Ecken gebogen. Die Kantenlängen betragen etwa 100 mm. Ein Ende des Rohr steht etwa 100 mm über den Rahmen hinaus. Das andere Ende des Rohrs wird auf den mit dem verlängerten Schenkel versehenen Rohrteil stumpf aufgelötet. Auf der Innenseite des Rohres werden zylindrische Oeffnungen mit etwa 1 mm Durohmesser im gegenseitigen Abstand von etwa 5 mm gebohrt. In einer geeigneten Pressform.wird der Rahmen mit Silberpulver, dem ein porenbildender, wasserlöslicher Zusatz wie Natriumsulfat oder ein anderes Salz zugefügt wurde, gefüllt und mit etwa 300 kg/cm gepresst, so dass in der Mitte des Rahmens eine 5 mm dicke Schicht entsteht. Aneohllessend wird auf beiden Seiten dieser Schicht Je eine feinporige Silberschicht von 1 mm Dicke in gleloher Weise aufgepresst. Durch Sintern bei 550 bis 600° C während

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2 bis 5 Stunden wird das Material unter sich und mit dem Rahmen homogen verbunden. Ducoh Auswaschen wird der porenbildende Zusatz aus den Sohichten entfernt. Bei der Druckprüfung mit Drücken über dem vorgesehenen Betriebsdruck zeigte sich bei der In der beschriebenen Weise hergestellten Elektrode eine gleichmässige Gasdurchlässigkeit über die gesamte Elektrodenoberfläche. Bei grossen Elektroden-· flächen kann es zweckmässlg sein, den Rahmen durch Stege aus dem gleichen oder einem anderen Hohlprofil, oder auch durch Stege aus Vollmaterial zu unterteilen. Ebenso ist es möglich, statt des in Fig. 2 gezeigten runden Hohlprofils ein Hohlprofil mit einem anderen Querschnitt zu verwenden.

Wenn die Gasdiffusionselektrode als Endelektrode in einem Brennstoffelement Verwendung finden soll, so kann eine der beiden feinporigen Schichten durch Anbringen eines undurchlässigen Ueberzugs oder durch Aufsintern der mittleren, grobporigen Schicht auf eine Blechplatte ersetzt werden.

Die Differenz der mittleren Porengrussen der inneren, als Gaszuleitungsraum dienenden Trägerschioht 1 und der feinporigen aktiven Schichten 2 müssen so bemessen sein, dass der Unterschied der den Kapillardrucken das Gleichgewicht haltenden Gasdrucke in den Schichten mindestens so gross ist wie der Unterschied des hydrostatischen Druckes über die ganze vertikale Ausdehnung der in den Elektrolyten getauchten Elektrode.

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Statt eines grobporigen Slnterkörpere als Träger kann auch ein anderer geeigneter gasdurchlässiger Träger vorgesehen werden. Beispielswelse kann ein In allen Richtunger, gasdurohlässlges Maschennetz aus Metall fest mit dem Rahmen durch Punktschwelssen verbunden werden. Auf die Oberfläche dieses Maechennetzes werden feinporige Sinterkörper, vorzugsweise . aus Netall, aufgebracht und mit dem Maschennetz und dem Rahmen« beispielsweise durch Aufsintern, fest verbunden.

Claims

Patentansprüche

1) Druokfeste, in einen Elektrolyten getauchte Gasdiffusionselektrode, insbesondere für Brennstoffelemente, gekennzeichnet durch einen als Oaszuleitungsraum dienenden, vorzugsweise ebenen, gasdurchlässigen Träger, zwei mit diesem fest verbundene, feinporige, mit dem Elektrolyten in Berührung stehende leitende Schichten, Mittel zur Einführung des Gases längs den Stirnselten des Trägers und Mittel zur Stromentnahme von den feinporigen Schiohten.

2) Gasdiffusionselektrode nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als grobporige Schicht ausgebildet 1st.

3) Gasdiffusionselektrode nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als in allen Richtungen gasdurchlässiges Masohennetz ausgebildet ist.

4) Gasdiffusionselektrode naoh Anspruoh 1, gekennzeichnet durch einen vorzugsweise mit allen Stirnselten des.Trägers

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verbundenen und vorzugsweise mit allen Stirnseiten der feinporigen Schichten leitend verbundenen, leitenden hohlen Rahmen« welcher auf seiner Innenseite gegen den Träger gerichtete Öffnungen aufweist und welcher mit einem Stutzen zur Einführung des Oases und zur- Stromentnahme versehen 1st.

5) Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die feinporigen Schichten aus katalytisch aktivem Material bestehen.

6) Gasdiffusionselektrode naoh Anspruch 2, dadurch gekennzelchv net, dass die unterschiedlichen PorengrOssen so bemessen sind, dass der Unterschied der den Kapillardrucken das Gleichgewicht haltenden Gasdrucke in den Schälten mindestens so gross ist wie der Unterschied des hydrostatischen Druckes Über die ganze vertikale Ausdehnung der Elektrode.

DROWN. Orvni* CIe.