DE1496115B2 - Elektrode für ein elektrochemisches Brennstoffelement - Google Patents

Description

Polytetrafluorethylen in der Mischung vorzugsweise tang 15 und die Elektrode 3 begrenzt wird. Zum Abunter Druckausübung von beispielsweise 70 bis zug von Verunreinigungen, die in die Kammer 13 ge-210 kg/cm² bei Temperaturen zwischen 350 und langen oder sich darin sammeln, ist eine Auslaß-400⁰C während 2 bis 10 Minuten gesintert wird. leitung 17 vorgesehen. Bei einer normalen Betriebs-Danach wird die Elektrode von der Gießoberfläche 5 weise mit Wasserstoff und Sauerstoff sind Ventile in entfernt und entsprechend der gewünschten Gestalt den Auslaßleitungen 12 und 17 geschlossen. Wenn zugeschnitten, wenn sich diese Gestalt nicht bereits Luft als Oxidationsmittel verwandt wird, kann die durch den Gießvorgang ergeben hat. Endplatte 14 gewünschtenfalls mit einer oder mehre-

Es wurde festgestellt, daß diese Verfahren unter . ren großen Öffnungen versehen werden, und die EinVerwendung einer wäßrigen Emulsion aus Polytetra- αο laßleitung 16 und die Auslaßleitung 17 können wegfluoräthylen sehr vorteilhaft sind, weil danach eine gelassen werden. Die Endplatten und Dichtungen gasdurchlässige elektronisch leitende hydrophobe werden durch mehrere Muttern 18, isolierende UnElektrode hergestellt werden kann, die eine sehr gute terlegscheiben 21 und Bolzen 19 gasdicht zusammenmechanische Festigkeit besitzt, ohne daß eine weitere gehalten, welche Bolzen 19 durch isolierende Hülsen Verarbeitung erforderlich ist 15 20 in den Endplatten 10 und 14 ragen. Die Endplat-

Wie bereits erwähnt wurde, kann entweder ein ten 10 und 14 und der Abstandshalter 1 können aus

stromsammelndes Gitter in die Elektroden einge- einem Material bestehen, das genügende mechanische

schlossen werden oder auf die in Berührung mit dem Festigkeit besitzt und bei den Betriebsbedingungen

Elektrolyt stehende Oberfläche gedrückt werden. in der Zelle korrosionsbeständig ist. Die Endplatten

Diese stromsammelnden Gitter oder Anschlüsse wer- «0 10 und 14 können aus Metall bestehen, bestehen

den aus einem guten elektrischen Leiter hergestellt, jedoch vorzugsweise aus einem Isoliermaterial wie

können Maschendraht, Metalldrähte, Metallstäbe, der Abstandshalter 1, z. B. aus Polystyrol.,

gelochte oder gezogene Metallplatten, poröse Metall- Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind

schichten usw. sein, und sind elektrisch mit der be- die Elektroden 2 und 3 so ausgebildet, daß die Ma-

treffenden Zuleitung verbunden. In dieser Beschrei- »5 schengitter 4 bzw. 5 darin als Bestandteil der Elek-

bung werden die stromsammelnden Anschlußeinrich- troden enthalten sind. Sie bestehen aus metallischem

tungen als Anschlußgitter bezeichnet. Wie ohne wei- Maschendraht. Die aktive Schicht 2 a aus Metall und

teres ersichtlich ist, können die Brennstoffzellen ge- Polytetrafluoräthylen ist gewöhnlich nur so dick, daß

maß der Erfindung in Reihe oder parallel zueinander sie die Zwischenräume ausfüllt und einen dünnen

geschaltet werden, um Batterien für irgendwelche ge- 30 Oberflächenüberzug des Maschengitters 4 bildet. Die

wünschte Spannungen oder Stromstärken herzu- Maschengitter oder dergleichen Anschlußgitter kön-

stellen. nen auch getrennt vorgesehen sein und durch den

Derartige Brennstoffelemente können bei Zimmer- Abstandshalter 1 gegen die Oberfläche der Elektrode

temperatur und Atmosphärendruck betrieben wer- gehaltert werden, die in Berührung mit dem Elek-

den. Gewünschtenfalls können die Brennstoffelemente 35 trolyt steht. Beim Zusammenbau werden durch das

über oder unter diesem Normalzustand innerhalb der Anziehen der Muttern 18 die Dichtungen 11 und 15

Begrenzungen betrieben werden, die durch den Ge- so zusammengedrückt, daß die Elektroden 2 und 3

frierpunkt und Siedepunkt der wäßrigen Elektrolyten flüssigkeitsdicht und gasdicht gegen den Abstands-

in den Zellen gegeben sind. Um einen Bruch der halter 1 gedrückt werden.

Elektroden zu vermeiden, darf jedoch der Druck des 40 Die Elektrode 2 hat einen dünnen Überzug Zb aus

Brennstoffs und des Oxidationsmittels auf die Elek- Polytetrafluoräthylen, in dem keine Metallteilchen

troden nicht größer sein als derjenige, dem diese enthalten sind, auf derjenigen Oberfläche, die mit

standhalten können. dem Brennstoff in Berührung steht. An das Maschen-

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher gitter 4 ist die Leitung 6 beispielsweise durch Vererläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine Schnitt- 45 schweißen oder Löten angeschlossen, welche Leitung ansicht eines Brennstoffelements mit einer Elektrode zu der Außenseite zwischen den Oberflächen der gemäß der Erfindung. Dichtung 11 und dem Abstandshalter 1 durchgeführt

Elektroden 2 und 3 liegen an einem Abstandshal- ist. Die Elektrode 3 ist entsprechend ausgebildet, jeter 1 an, welcher Öffnungen 22 und 23 für den Ein- doch mit der Ausnahme, daß die mit einem dünnen laß und Auslaß eines Elektrolyts 24 oder gewünsch- 50 Überzug 3 b aus Polytetrafluoräthylen überzogene tenfalls zur Zirkulation des Elektrolyts 24 aufweist, Oberfläche gegenüber dem oxidierenden Gas liegt,
um die gewünschte Konzentration des Elektrolyts auf Wenn das Produkt der gesamten Reaktion Wasser einem gegebenen Wert zu halten. Leiter 6 und 7, die ist, kann sich dieses in dem Elektrolyt ansammeln, mit Maschengittern 4 bzw. 5 verbunden sind, dienen der zwischen den hydrophoben Elektroden eingezur Stromzufuhr zu der durch das Brennstoffelement 55 schlossen ist, in welchem Falle eine Verdünnung und versorgten Einrichtung. Von einem nicht dargestell- eine entsprechende Volumenzunahme auftritt. Diese ten Vorratsbehälter wird gasförmiger Brennstoff über Volumenzunahme des Elektrolyts kann durch Austritt einen Einlaß 8 der Elektrode 2 zugeführt, der auch des Elektrolyts durch die Auslaßöffnung 22 in einen allein in einer Kammer 9 enthalten sein kann, die . nicht dargestellten Vorratsbehälter kompensiert werdurch eine Endplatte 10, eine Dichtung 11 und die 60 den, wenn die Einlaßöffnung 23 verschlossen ist. VorElektrode 2 begrenzt wird. Eine Auslaßleitung 12 ist zugsweise wird jedoch der Elektrolyt zu einem Vorvorgesehen, um irgendwelche Verunreinigungen ab- ratsbehälter für Elektrolyt zirkuliert, wo das Wasser führen zu können, die in die Kammer 9 gelangen durch Verdampfen oder Destillation entfernt werden oder sich dort ansammeln. Das als Oxidationsmittel kann, um die Anfangskonzentration des Elektrolyts dienende Gas wird von einem nicht dargestellten Vor- 65 wiederherzustellen, der dann in die Brennstoffzelle ratsbehälter über einen Einlaß 16 der Elektrode 3 durch die öffnung 23 zurückgeführt wird. Gewünschzugeführt, oder kann allein in einer Kammer 13 ent- tenfalls kann diese Zirkulation kontinuierlich oder halten sein, die durch eine Endplatte 14, eine Dich- intermittierend durchgeführt werden.

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Wahlweise kann das durch die Reaktion gebildete spiels wurden vier Brennstoffzellen hergestellt, von Wasser in der Gasphase in den Elektrodenkammern denen jede zwei Elektroden aufwies, in denen die verdampft werden, woraus es durch Kondensation Dicke des Überzugs aus Polytetrafluoräthylen auf entfernt oder mit einer gasförmigen Strömung abge- den Elektroden für jedes Elektrodenpaar in einer leitet werden kann. Dieses Verfahren ist besonders 5 Zelle dieselbe, jedoch bei jeder der vier Zellen unterzweckmäßig, wenn Luft als Oxidationsmittel ver- schiedlich war. Der Abstandshalter war 3 mm dick wandt wird. In manchen Fällen kann die Verdamp- und besaß eine öffnung von 40 mm Durchmesser, fung in die Gasströmung mit einer solchen Geschwin- genau wie die Dichtungen, durch die die Elektroden digkeit erfolgen, daß der Elektrolyt stärker konzen- gegen den Abstandshalter gedrückt werden. Bei den triert wird. In diesem Fall kann es wünschenswert io ersten Betriebsserien mit diesen Zellen wurde Wassein, dem Elektrolyt Wasser zuzusetzen, das ge- serstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxydationswünschtenfalls durch Kondensation des Wassers aus mittel verwandt, weiche Gase von Gasflaschen zuder Gasphase erhalten wird. Bei Anordnung des Vor- geführt wurden. Bei den zweiten Betriebsserien wurde ratsbehälters über dem Brennstoffelement können die Endplatte auf der Seite des Oxydationsmittels Konzentrationsgefälle und thermische Gradienten 15 durch eine Endplatte mit einer öffnung von 40 mm dazu verwandt werden, eine Zirkulation des Elektro- Durchmesser ersetzt, so daß die Elektrode gegenlyten zu bewirken. über der umgebenden Luft freigelegt war, die als

Im folgenden sollen noch einige spezielle Ausfüh- Oxydationsmittel diente. Der Elektrolyt mit einer rungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. wäßrigen 6-molaren Kaliumhydroxydlösung war mit

Die in den folgenden Beispielen verwandten Brenn- ao einem Vorratsbehälter verbunden, der ein Volumen Stoffelemente waren entsprechend dem in der Zeich- von etwa 80 ml besaß. Während des Betriebs der ZeI-nung dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet, len wurde genügend Wärme in der Zelle erzeugt, so wobei allerdings die Platten, Dichtungen und Elek- daß der Elektrolyt von der Zelle zu dem Vorratstroden rund und nicht quadratisch waren. Die End- behälter auf Grund eines thermischen Gefälles zirkuplatten 10 und 14 und der Abstandshalter 1 bestan- as lierte. Während des Betriebs der Brennstoffzellen den aus Platten aus Polymethylmethakrylat, die Dich- mit Wasserstoff und Sauerstoff sammelte sich allmähtungen 11 und 15 entweder aus Silikongummi oder lieh in dem Elektrolyt Wasser an. Die Verdünnung einem gummiartigen Copolymer von Äthylen und war nicht kritisch während der Versuchsdauer, so Butadien. Der Elektrolyt wurde im allgemeinen durch daß die oben beschriebene Kompensation nicht erf ordie Brennstoffelemente zirkuliert, um eine verhältnis- 30 derlich war. Während des Betriebs mit Wasserstoff mäßig gut konstante Konzentration des Elektrolyts in und Luft trat eine Verdampfung des Wassers an der dem Brennstoffelement aufrechtzuerhalten. Luftelektrode schneller auf, als dieses durch die ZeI-

. -11 lenreaktion gebildet wurde. Auch in diesem Falle war

Beispiel 1 ^₆ Änderung der Konzentration während der Ver-

In diesem Beispiel wurden Elektroden hergestellt, 35 suche nicht groß genug, um eine Kompensation durch bei denen die Oberflächenschichten aus Polytetra- den Zusatz von Wasser erforderlich zu machen,
fluoräthylen eine unterschiedliche Dicke durch den Durchgeführte Versuche ergaben, daß die Dicke

Auftrag von 0,79, 1,6, 2,4 bzw. 3,9 mg Polytetra- des Überzugs aus Polytetrafluoräthylen auf der Gasfluoräthylen pro cm² auf die Gießoberfläche hatten. seite der Brennstoffzelle einen sehr kleinen Einfluß Auf diese Oberflächen aus Polytetrafluoräthylen 40 auf die Arbeitsweise der Zellen während des Betriebs wurde eine wäßrige Aufschlämmung von Platinmohr mit Sauerstoff und Wasserstoff besaß. Bei dem Be-(mit einer Oberflächengröße von etwa 30 m²/g) mit trieb mit Wasserstoff und Luft ergaben die dünneren Polytetrafluoräthylen verbreitet, bis sich eine Ober- Überzugsschichten bessere Ergebnisse. Dies erscheint flächenverteilung von 17,5 mg Platinmohr und .1,6 mg dadurch begründet, daß Stickstoff aus der Luft sich Polytetrafluoräthylen pro cm² über dem Elektroden- 45 in den Poren ansammeln kann und dadurch die Zubereich ergab. Eine zweite Schicht aus Platinmohr trittsmöglichkeit des Sauerstoffs zu den elektroche- und Polytetrafluoräthylen wurde dann ausgebreitet, misch aktiven Stellen verringert. Eine derartige Blokum eine zweite Gießoberfläche entsprechend zu be- kierung müßte mit der größeren Porenlänge entspredecken, die nicht mit einer Folie aus Polytetrafluor- chend der größeren Schichtdicke ansteigen. Jedoch äthylen überzogen war. Es wurde ein Maschengitter 5° selbst die dicksten Überzugsschichten, die geprüft aus Nickel verwandt, dessen Drähte einen Durch- wurden, ergaben bemerkenswert gute Betriebsdaten messer von 0,1 mm besaßen, wobei 17 Drähte pro cm für Wasserstoff und Luft, die insbesondere bemervorhanden waren. Das Gitter wurde auf eine Dicke kenswert besser als die bisher bekannten Ergebnisse von 0,1 mm gewalzt und auf die obige Gießober- waren, die z. B. mit gesinterten Metallelektroden, fläche aufgelegt, um die fertigen Elektroden, wie be- 55 porösen Kohlenstoffelektroden usw. erzielt werden reits beschrieben, herzustellen. Ein Druck von können.

196 kg/cm² der Elektrodenoberfläche wurde bei die- Obwohl an sich zu erwarten ist, daß die Brennstoff-

ser Herstellung verwandt. Die fertigen Elektroden zellen besser mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeiten, enthielten 35 mg Platinmohr und 3,2 mg Polytetra- sind einige der Unterschiede hinsichtlich der Betriebsfluoräthylen-Bindemittel pro cm² und Oberflächen- 60 weise auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Verüberzüge, wie oben erwähnt ist Elektrodenpaare mit dampfung von Wasser aus den Brennstoffzellen, die jeder dieser Zusammensetzungen wurden hergestellt, mit Luft betrieben werden, die Brennstoffzellen abum diese in den in Beispiel 2 beschriebenen Brenn- kühlt, so daß sie bei einer niedrigen Temperatur als Stoffzellen zu verwenden. die Brennstoffzellen arbeiten, die mit Wasserstoff und

_n . . ₀ 65 Sauerstoff versorgt werden. Bei gleichen Stromdich-

üeispiel Z ten ist der innere Widerstand der Wasserstoff-Luft-

Entsprechend der allgemeinen Ausführungsform zellen höher und die Aktivität der Elektroden ist des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- wegen der niedrigeren Temperatur niedriger als bei

Wasserstoff-Luftzeilen. Dies ist zum Teil der Grund tinmohr zu 1 g Polytetrafluoräthylen erhalten werden für die schlechteren Betriebseigenschaften der Brenn- konnten. Da die Dichte von Platin 21,45 g/cm^s und Stoffzellen, die in diesem Beispiel mit Luft und nicht die Dichte von Polytetrafiudräthylen 2,13 beträgt, mit Sauerstoff betrieben wurden. , bedeuten diese Gewichtsangaben bei Umrechnung . Zellen dieser Art wurden bei kontinuierlicher Be- 5 auf ein Volumenverhältnis, daß 0,2 bis 2,0 Volumenlastung während mehr als 275 Tagen betrieben. Wäh- teile Platin pro ' Volumenteil Polytetrafluoräthylen rend dieser Zeit wurde der Ausgangsstrom auf ent- vorhanden sein sollen. Ein Zusatz größerer Mengen weder 88 mA/cm² _oder 263 mA/cm² gehalten. Ein von Metallpulver beeinflußt die mechanische Festiggeringer. Unterschied wurde bei der Arbeitsweise der _: keit nachteilig, während die Verwendung geringerer Zellen festgestellt, wenn · 12-n Kaliumhydroxyd als io Mengen von Metallpulver die Arbeitsweise der Zellen Elektrolyt verwandt wurde. .. - - -. ■ beeinträchtigt··" · .- : ■.*■: .:

Beispiel 3 Beispiel 7

Um den Einfluß der Dicke der Polytetrafluor- 15 Es wurden Elektroden entsprechend den in Beiäthylen-Metallschicht zu untersuchen, wurden Elek- spiel 1 -beschriebenen hergestellt, indem die Obertroden, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt, bei flächenschicht aus Polytetrafluoräthylen 2,4 mg PoIydenen die Dicke der Uberzugsschicht aus Polytetra- tetrafluoräthylen pro cm² und die Harz-Metallschicht fluoräthylen auf 2,4 mg Polytetrafluoräthylen pro cm² 70 mg Silberplättchen aus Silberpulver, die durch ein Elektrodenfläche gehalten wurde und die Beträge ao Sieb mit 125 Öffnungen pro cm Länge gesiebt wurden von Polytetrafluoräthylen-Platinmohr unterschiedlich und 7 mg Polytetrafluoräthylen pro cm² Elektrodengewählt wurden, wobei das Verhältnis von Platin zu fläche enthielten. Andere Elektroden wurden mit der-Polytetrafluoräthylen konstant 1 g Platin zu 0,09 g selben Dicke der Uberzugsschicht aus Polytetrafluor-Polytetrafluoräthylen gewählt wurde, womit Elektro- äthylen hergestellt, wobei jedoch die metallhaltige den mit Dicken zwischen 17 und 45 mg Platin pro as Schicht 17 mg amorphen Kohlenstoff mit 10% Platin cm² Elektrodenfläche hergestellt wurden. Wenn Paare und 3 mg Polytetrafluoräthylen pro cm² Elektrodendieser Elektroden in den Brennstoffzellen verwandt fläche enthielt. Diese Elektroden wurden als Sauerwurden, waren die Ergebnisse entsprechend den Stoffelektroden in Brennstoffzellen entsprechend den Werten für Brennstoffzellen mit einer Schicht aus in Beispiel 2 beschriebenen verwandt. Platinmohr-Polytetrafluoräthylen auf der Gasseite der Elektrode, 30 Polytetrafluoräthylen-Elektroden wurden als Wasserdie 2,4 mg Polytetrafluoräthylen pro cm² Ober- Stoffelektroden verwandt, während eine 6-molare wäßflächenbereich besaßen. Diese Ergebnisse zeigen, daß rige Kaliumhydroxydlösung als Elektrolyt Verwendie Dicke der Polytetrafluoräthylen-Metallschicht dung fand.

nicht kritisch ist und einen verhältnismäßig geringen Beide Zellen wurden bei durchgeführten Versu-

Einfluß auf die Arbeitsweise der Brennstoffzellen 35 chen mit einer Dauerbelastung von 88 mA/cm² wäh-

innerhalb des geprüften Bereichs hat. rend über 60 Tagen mit zufriedenstellender Arbeitsweise belastet.

Beispiel 4 Beispiels

Eine im Handel erhältliche Folie aus Polytetra- 40 Brennstoffzellen, entsprechend denjenigen in Beifluoräthylen von 0,003 mm Dicke wurde auf eine spiel 2, jedoch mit Elektroden, deren Oberflächen-Oberfläche einer vorher hergestellten gesinterten schicht aus Polytetrafluoräthylen 2,4 mg Polytetra-Schicht mit 35 mg Platinmohr pro cm² und einem fluoräthylen pro cm² enthielt, eine Harz-Metallschicht Verhältnis von Platin zu Polytetrafluoräthylen von mit 40 mg Platinmohr und 3,6 mg Polytetrafluor-1 g Platin zu 0,09 g Polytetrafluoräthylen aufge- 45 äthylen pro cm² sowie ein Anschlußgitter aus Draht bracht. mit 0,2 mm Durchmesser, 20 Drähten pro cm Länge,

Die diese Elektroden enthaltenden Brennstoffzellen welches Gitter aus Platin bestand und auf eine Dicke

wurden mit Stromdichten von 600 mA/cm² unter von 0,2 mm gewalzt war, wurden mit 5-normaler

Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff be- Schwefelsäure als Elektrolyt betrieben.

trieben. 5° „ . . , „

Beispiel 9

Beispiel 5 _Die Brennstoffzelle gemäß Beispiel 8 wurde so abWenn Elektroden ähnlich derjenigen gemäß Bei- gewandelt, daß sie mit Luft betrieben werden konnte, spiel 1 hergestellt wurden, in denen das Anschluß- wozu die offene Stirnplatte gemäß Beispiel 2 Vergitter aus Nickel entweder durch Gitter aus Platin 55 wendung fand, und wurde mit 5-normaler Schwefeloder Silber ersetzt wurde, wurde festgestellt, daß kein säure als Elektrolyt, Wasserstoff als Brennstoff und Unterschied in der Arbeitsweise der Brennstoffzellen Luft als Oxydationsmittel betrieben. Bei dieser Bemit diesen Elektroden bestand, der nicht den Unter- triebsweise ist die Verdampfung des Wassers aus dem schieden hinsichtlich der spezifischen Widerstände Elektrolyt größer als die Erzeugung von Wasser der Schirme zuzuschreiben war. 60 durch die Zellenreaktion. Die Zelle wurde mit ther-. mischer Zirkulation betrieben, wodurch der Elektrons ei spiel 6 lyt von der Elektrolytkammer der Zelle in einen Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde das Ver- Vorratsbehälter zirkuliert wurde, wo Wasser periohältnis von Platin zu Polytetrafluoräthylen geändert. disch zugesetzt wurde, um ein im wesentlichen kon-Es wurde festgestellt, daß Elektroden mit zufrieden- 65 stantes Volumen beizubehalten. Die Brennstoffzelle stellender Festigkeit und Arbeitsweise innerhalb wurde auch ohne thermische Zirkulation betrieben, eines Bereichs von 20 g Platinmohr zu 1 g Polytetra- In diesem Falle wurde ein konstantes Elektrolytvolufluoräthylen zu einem so geringen Betrag wie 2 g Pia- men in der Elektrolytkammer durch direkten Zusatz

von Wasser in die Kammer aus einem Vorratsbehälter auf der Oberseite der Brennstoffzelle aufrechterhalten. "....■■

Wenn die Brennstoffzellen so ausgebildet wurden, daß die mit Polytetrafluoräthylen überzogene Seite der Elektroden in Berührung mit dem Elektrolyt stand, war die Arbeitsweise der Zelle beträchtlich schlechter als die Arbeitsweise der oben beschriebenen Zellen, bei denen die mit Polytetrafluoräthylen überzogene Seite der Elektroden in Berührung mit der Gasphase stand. .

In den vorangegangenen Beispielen wurde die Stromstärke in Stromstärkeeinheit pro Flächeneinheit der Elektrode, in mA/cm² Elektrodenoberfläche angegeben, und nicht in Einheiten der gesamten Stromstärke für die gesamte Fläche der Brennstoffzelle. Durch diesen Bezug auf die Flächeneinheit wird der

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Vergleich der Arbeitsweise von Zellen mit verschiedener Größe vereinfacht.

Die in den obigen Beispielen beschriebenen Maßnahmen und Verfahren sind nicht nur auf die erwähnten Metallkatalysatoren beschränkt Andere ka-

^; talytisch aktive Metalle, die bereits beschrieben wurden, können ebenfalls verwandt werden.

Es ist jedoch zu beachten, daß die Volumenbemessungen von Katalysator zu Bindemittel bedeutsamer

ίο als die Gewichtsverhältnisse sind. Die geeigneten Gewichtsverhältnisse von Katalysator zu Bindemittel können deshalb aus den Daten in den Beispielen abgeschätzt werden, indem die Dichteverhältnisse benutzt werden, um die Gewichte der erforderlichen

»5 Materialien zu berechnen, damit dasselbe Volumenverhältnis wie für die speziellen beschriebenen Verhältnisse erhalten werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 eine Überflutung der Oberfläche der Elektroden zu Patentansprüche: verhindern, die in Berührung mit der Gasphase stehen, wodurch diese sonst in der Weise benetzt wür-

1. Elektrode für ein elektrochemisches Brenn- den, daß die Arbeitsweise der Zellenreaktion nachstoffelement mit einer aktiven Schicht aus mit 5 teilig beeinflußt wird.

Polytetrafluoräthylen gebundenen Metallteilchen Da die elektrizitätserzeugende Zellenreaktion an

sowie mit einer hydrophoben, nicht aktiven gas- der dreiphasigen Zwischenfläche auftritt, in der Gas,

seitigen Schicht, dadurch gekennzeich- Metallteilchen und Elektrolyt vorhanden sind, war

net, daß die nicht aktive Schicht ein dünner die Feststellung überraschend, daß die hydrophobe

Überzug (2 b; 3 b) aus Polytetrafluoräthylen ist io Schicht aus Polytetrafluoräthylen die Zellenreaktion

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch ge- nicht nachteilig beeinflußt, während sie andererseits kennzeichnet, daß die Metallteilchen mit einem die Elektrode für den wäßrigen Elektrolyt undurch-Volumenverhältnis in dem Polytetrafluoräthylen lässig macht, ohne die Ausbildung der dreiphasigen vorhanden sind, das 0,2 bis 2,0 Teilen der Me- Zwischenschicht zu verhindern. Der Überzug aus tallteilchen pro Teil Polytetrafluoräthylen ent- 15 Polytetrafluoräthylen ist porös genug, um einen Gasspricht, durchtritt zuzulassen, während wegen der hydrophoben Eigenschaften der Wände derartiger Poren der Elektrolyt die Oberfläche nicht benetzt und nicht

ohne weiteres hindurchtreten kann. Ferner können

ao derartige Elektroden verhältnismäßig dünn ausgebildet werden, z. B. mit 0,12 bis 0,25 mm (5 bis

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für ein elek- 10 Mil) Dicke, so daß irgendeine Diffusion von gas-

trochemisches Brennstoffelement mit einer aktiven förmigem Brennstoff oder Oxidationsmittel entlang

Schicht aus mit Polytetrafluoräthylen gebundenen einem sehr geringen Abstand erfolgt.

Metallteilchen sowie mit einer hydrophoben, nicht as Da die Adsorption von Gasen durch Festkörper

aktiven gasseitigen Schicht. ein Oberflächenphänomen ist, ist es wünschenswert,

Eine bekannte Elektrode dieser Art (französische daß die Elektroden eine möglichst große Oberfläche

Patentschrift 1282 491) hat eine gasseitig angeord- besitzen und daß die Oberfläche der Metallteilchen

nete mit Polytetrafluoräthylen imprägnierte Kohle- sich vorzugsweise in dem aktivsten Zustand für die

schicht, die verhältnismäßig dick im Vergleich zu der 30 Adsorption von Gasen befindet. Um einen maxima-

aktiven Schicht ist. Für viele Zwecke wäre es deshalb len Wirkungsgrad einer Zelle zu erzielen, sollte der

wünschenswert, die inaktive Schicht dünner im Ver- maximal zulässige Bereich einer Seite jeder Elektrode

gleich zu der aktiven Schicht zu machen sowie die in vollkommener Berührung mit dem wäßrigen Elek-

Schwierigkeiten bei der Herstellung von imprägnier- trolyten stehen und die maximal zulässige Oberfläche

ten Kohleschichten zu vermeiden. 35 der anderen Seite jeder Elektrode in Berührung mit

Es ist ferner bekannt, auf einem elektrolytseitig dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel. Aus dieangeordneten Träger aus Polyäthylen eine im Ver- sen Gründen werden feinzerteilte Metallpulver begleich dazu dünne aktive Schicht gasseitig anzuord- vorzugt, die gut entwickelte Oberflächengrößen benen. Obwohl damit der Elektrolyt zurückgehalten sitzen, z.B. mindestens 10m²/g und vorzugsweise werden kann, besteht dabei die Schwierigkeit, daß 40 mindestens 100 m²/g, um Elektroden gemäß der Erdas durch die Reaktion in dem Brennstoffelement findung herzustellen.

erzeugte Wasser die Elektrodenstruktur in nachteili- Um derartige Elektroden in einfacher Weise her-

ger Weise durchtränkt. Um dies zu vermeiden, ist zustellen, .kann eine wäßrige Emulsion von Polytetra-

dabei ein gewisser Überdruck erforderlich, was eben-" fluoräthylen verwandt werden, aus der eine dünne

falls zu Schwierigkeiten bei der Herstellung und bei 45 Schicht auf einer Gießoberfläche, beispielsweise auf

dem Betrieb derartiger Brennstoffelemente führt einer Metallfolie oder einer Metallplatte, ausgebildet

(französische Patentschrift 1 258 760). wird, worauf die endgültige Gestalt der Elektrode ge-

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Elek- wünschtenfalls ausgebildet wird. Danach wird das

trode der eingangs genannten Art so auszubilden, Wasser und das Benetzungsmittel aus der Emulsion

daß sie trotz geringer Dicke mit ausreichender me- 50 verdampft und gewünschtenfalls unter Druck einer

chanischer Festigkeit in einfacher Weise herstellbar Sinterung des Polytetrafluoräthylens bei einer Tem-

ist und unter Vermeidung der genannten Schwierig- peratur durchgeführt, die hoch genug ist, daß das

keit einen möglichst hohen spezifischen Wirkungs- Sintern der einzelnen Teilchen des Polytetrafluor-

grad hat. Im Hinblick auf den Wirkungsgrad soll äthylens zu einer kohärenten Masse bewirkt wird,

dabei ferner die Notwendigkeit einer Matrix zur Auf- 55 z. B. zwischen 325 und 450° C, vorzugsweise zwi-

nahme des Elektrolyten durch Kapillarkräfte vermie- sehen 350 und 400° C. Eine Aufheizzeit von 1 bis

den werden, weil durch eine derartige Matrix der 2 Minuten genügt gewöhnlich, um zu gewährleisten,

innere Widerstand des Brennstoffelements erhöht daß alle Teilchen des Harzes die gewünschte Tem-

wird. peratur erreichen. Danach wird eine wäßrige Emul-

Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der ein- 60 sion des Polytetrafluoräthylens mit einer solchen

gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch ge- Menge von Metallteilchen vermischt, daß die schließ-

löst, daß die gasseitige inaktive Schicht ein dünner lieh aus dieser Mischung hergestellte Schicht elektro-

Überzug aus Polytetrafluoräthylen ist. nisch leitend ist, z. B. 2 bis 20 Gramm Metallpulver

Derartige Elektroden ergeben bei ihrer Verwen- pro Gramm Polytetrafluoräthylen in der Emulsion,

dung in Verbindung mit einem wäßrigen Elektrolyt 65 Diese Mischung wird zu einer dünnen Schicht auf

Brennstoffelemente für gasförmige Brennstoffe, bei der vorher hergestellten Schicht aus Polytetrafluor-

denen keine besondere Verarbeitung oder zusatz- äthylen ausgebreitet, wonach das Wasser und die Be-

liche Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind, um netzungsmittel aus der Emulsion verdampft und das