DE1596007A1 - Diffusionselektrode fuer einen elektrochemischen Generator - Google Patents

Description

DR. MULLER-BORiDIPL-INe. GRALFS

DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL

PATENTANWÄLTE

Γ IH 96 007.3-45 München, den 26, Juni f969

Fi/pa - C 612

Compagnie Generale d'Electricite 54, rue la Boetie, Paris Prankreich

Diffusionselektrode für einen elektrochemischen Generator

"Die Erfindung betrifft Generatoren, die gewöhnlich Brennstoffelemente genannt werden, und insbesondere eine für diesen Generator bestimmte Diffusionselektrode für oxydierendes oder reduzierendes Gas sowie deren Herstellungsverfahren.

"Das Prinzip der Gasdiffusionselektroden ist bekannt. Diese Elektroden sind mit einer zweiten ähnlichen oder verschiedenen Elektrode in einem geeigneten Elektrolyten zusammengefaßt und können ein Element zur wirtschaftlichen Erzeugung von elektrischer Energie aus einem Verbrennungsgas, wie z. B. '.Vasserstüff, und einem die Verbrennung bewirkenden Gas, /de z. B. Sauerstoff, bilden.

Diese Elektroden besitzen eine Porosität, die es ihnen mit ,Hilfe fies Gases bei einem bestimmten Druck ermöglicht, die i'apillarkräfte des Elektrolyten auszugleichen. Sie bilden so eine Gesamtheit von mehreren Phasen im Inneren der Elektrode.

Neue Unterlagen (Art. 7 * ι Ab₈.2 Nr. 1 satz 3 des

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Die technologischen Probleme zur Verwirklichung einer Gasdiffusionselektrode für Brennstoffelemente sind vielfältig und kompliziert, insbesondere was die Gaszufuhrvorrichtung oder die Entnahme des hervorgerufenen Stromes und die Abdichtung zwischen den verschiedenen Zellen anbelangt. Außerdem muß die Elektrode unbedingt eine genügende mechanische Widerstandskraft aufweisen, was allgemein das Element schwerer macht.

"Die Erfindung hat eine Gasdiffusionseleketrode für Brennstoffelemente zum Ziel, bei welcher die einzelnen Probleme eine einfache und wirksame Lösung finden.

Sie hat eine Diffusionselektrode für einen elektroohemisehen Generator zum Gegenstand, die sich dadurch kennzeichnet, daß sie hauptsächlich einen porösen Metallträger besitzt, der ihr einerseits einen guten mechanischen Widerstand verleiht und andererseits eine gute Verteilung der Gase bewirkt, daß außerdem eine auf den Träger aufgebrachte Schicht aus aktivem 'Verkstoff vorgesehen ist, in deren Höhe sich die elektrochemischen Reaktionen vollziehen, und daß weiter ein in den porösen Fetallträger mündendes Metallrohr angeordnet ist, das die Zufuhr der Reaktionsgase der Elektrode und die Entnahme des Stromes sicherstellt.

Das die Elektrode und deren Außenfläche bildende aktive T"aterial ist vorteilhaft jenes, das in der deutschen Patentanmeldung c 33 922 "Elektrode für einen elektrochemischeu Generator" beschrieben ist. Die Erfindung erstreckt sich ,jedoch auch auf alle anderen Materialsorten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für eine Elektrode des erfindungsgemäßen Brennstoffelemen fcs.

Die Erfindung umfaßt außerdem die elektrochemischen Generatoren,

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die diese Elektroden enthalten.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung bestellt der poröse Metallträger aus einer Ablagerung von Metallkugeln von geringen Abmessungen auf einem Gitter, wobei die Anordnung aus Kugeln und Gitter oder Metallnetz ein festes Ganzes bildet.

Weitere Merkamle der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungj in dieser zeigenß

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Elektrode gemäß der Erfindung,

Pig. 2 eine Schnittansicht einer doppelpoligen Elektrode gemäB der Erfindung, die vorteilhafterweise in einer Serienschaltung anwendbar ist, und

Pig. 3 schematisch eine Gesamtheit von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Elektroden·

Die in Figur 1 dargestellte Elektrode besteht aus einem Metallnetz oder Metallgitter 1, das eine Ablagerung von Kugeln geringer Abmessungen 'trägt, die so agglomeriert sind, daß sie ein homogenes und poröses Medium bilden. 3 bezeichnet die auf dem porösen Metallträger abgelagerte Oberflächenschicht der Elektrode und 4 ein Metallrohr, das einerseits die Elektrode mit Gas speist und andererseits den erzeugten elektrischen Strom entnimm t.

Ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Elektrode besteht insbesondere darin, ein Metallrohr auf einem Metallgitter oder Metallnetz durch irgendein geeignetes Mittel, das einen gutQn elektrischen Kontakt herstellt, anzubringen, z. B. anzuschweißen, und danach das Netz oder Gitter zu lackieren,

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so daß ein Oberflächenzustand erzielt wird, der das Ablagern von Metallkugeln sehr kleiner Abmessungen erlaubt. Sobald das Lackieren beendet ist, werden die Metallkugeln durch irgendein angemessenes Mittel abgelagert, z.B. mittels Spritzpistole. Danach wird das Ganze gesintert, so daß ein widerstandsfähiges und poröses Medium erhalten wird. Dabei wird die anfangs auf das Metallgitter oder Metallnetz aufgebrachte Lackschicht zerstört. Bei Metallkugeln aus Nickel wird beispielsweise zwischen 500 und 1000° gesintert.

Danach wird auf den so hergestellten porösen Metallträger die Oberflächenschicht der Elektrode durch irgendein geeignetes Mittel aufgetragen, wie z. B. mittels Spritzpistole, durch Imprägnierung in einem Bad usw. Danach wird diese Schicht thermisch und mechanisch behandelt, wie dies in der deutschen Patentanmeldung C 33 122 beschrieben ist.

Somit werden eine gute, mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisende Elektrode und einfache Verbindungsvorrichtung geschaffen, was die Gasspeisung und den Stromtransport anbelangt.

TIm die Elektrode leichter zu gestalten, werden vorteilhaft zur Herstellung des porösen Metallträgers hohle Kugeln verwendet.

Figur 2 stellt eine Schnittansicht einer doppelpoligen Elektrode dar, die ähnleiche Merkamle wie jene der weiter oben beschriebenen Elektrode besitzt.

Das Prinzip einer solchen Elektrode besteht darin, zwei einfache Elektroden durch einen Metalleiter zu verbinden, so daß diese kurzgeschlossen sind und die Gasdiffusiön von einer Elektrode zur anderen verhindert wird. Auf diese Weise wird eine Doppel-Elektrode verwirklicht, die vorteilhafterweise in

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- 5 einer Serienschaltung Verwendung findet.

Erfindungsgemäß wird eine solche Elektrode so verwirklicht, daß man beiderseits einer gasdichten Metallfolie einen porösen, zur Ablagerung der Oberflächenschicht der Elektrode bestimmten Metallträger bildet, der Gasspeisemittel besitzt.

Auf Figur 2 bezeichnet 5 eine gasdichte Metallfolie, ζ. B, aus. Nickel oder Silber, auf welcher zu beiden Seiten zwei Metallrohre 6 und 6» angebracht, z. B, angeschweißt sind, die die Gasspeisung sicherstellen,

7 und 7' bezeichnen das poröse Material, das insbesondere ein Agglomerat aus gesinterten kleinen Metallkügelchen und so angeordnet ist, daß es den Elektronenkütfper bildet. 8 und 8^f stellen die auf dem porösen Metallträger abgelagerten Oberflächenschichten der Elektroden dar.

Mehrere doppelpolige und auf diese Art hergestellte Elektroden können vorteilhaft in Serie geschaltet werden, denn es genügt, ein Element mit Verbrennungsgas, wie z, B. Wasserstoff, und das andere Element mit einem die Verbrennung bewirkenden Gas, wie z. B. Sauerstoff, zu speisen, damit beim Betrieb ein Kurzschluß zwischen der Brennstoffelektrode und der Verbrennungsstoffelektrode des benachbarten Elementes besteht, da diese durch einen Metalleiter verbunden sind,

Figur 3 stellt schematisch eine derartige Reihenschaltung dar.

Beispielsweise sind drei doppelpoli£e erfindungsgemäße Elektroden dargestellt, von denen jede die von den Rohren 25, 35 und 45 gespeisten 'Vasserstoffelektroden 22, 32 und 42 und die von den Rohren 26, 36, 46 gespeisten Sauerstoffelektroden 23, 33 und 43 besitzt, wobei diese Elektroden von den gasdichten Metalleitern 24, 24 und 44 getrennt aind.

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Mit 21, 31 und 41 sind die elektrisch-isolierenden Separatoren bezeichnet', die die Elektrolytabteile 20, 30, 40 und 50 jeder Sl^mentarzelle abgrenzen.

Ein Zellenelement besteht aus der Wasserstoffelektrode, einer doppelpoligen Elektrode und der dieser gegenüberstehenden Säuerst off elektrode, die zur benachbarten doppelpoligen Elektrode gehört, wobei diese durch das Elektrolytmedium in Verbindung stehen.

Auf diese Weise bilden z. B. die Elektroden 23 und 32 sowie der Elektrolyt 30 ein Zellenelement sowie ebenfalls die Elektroden 33, 42 und der Elektrolyt 40. Somit ist eine Serienschaltung verwirklicht, weil beim Betrieb die Brennstoff elektrode, z. B. 32, eines Zelleneleaptentes und die Verbrennungsstoffelektrode des benachbarten Zellenelements kurzgeschlossen find, da diese durch den Metalleiter 34 miteinander verbunden sind.

Wird die Speisung *on Verbrennungsgas mittels einer Hauptleitung für die Gesamtheit der Elektroden durchgeführt, so muß dafür gesorgt werden, daß die Speiserohre jeder Elektrode untereinander isoliert werden, z. B. durch Einfügen von einem Isolierrohr, z. B. aus Kunststoff, zwischen diese und die Hauptleitung. Dasselbe gilt auch für den Speisekreis der die Verbrennung bewirkenden Gase.

Die Erfindung kann für Elektroden jedwelcher Form und Größe angewandt werden.

Patentansürüche:

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Claims (5)

Patentansprüche ;

1. Gasdiffusionselektrode für einen elektrochemischen Generator mit einem porösen Metallträger, einer darauf aufge-

' brachten katalytisch aktiven Materialschicht und einem in den Metallträger mündenden und die Zuführung von Reaktionsgas zur Elektrode gewährleistenden Metallrohr, dadurch gekennzeichnet , daß der poröse Metallträger (2) aus einer großön Anzahl von untereinander fest verbundenen Metallkugeln mit sehr kleinen Abmessungen besteht.

2. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der poröse Metallträger (2) aus einer Ablagerung von Metallkugeln sehr kleiner Abmessungen auf einem Metallgitter oder Metallnetz (5) besteht, wobei die aus den Kugeln und dem Gitter als Netz bestehende Anordnung eine feste Einheit bildet.

3. Gasdiffusionselektrode nach Anspruch 1 in bipolarer Fo*», dadurch gekennzeichnet , daß sie eine gasdichte Metallfolie aufweist, die beidseitig mit einer Ablagerung von Metallkugeln mit sehr kleinen Abmessungen versehen ist, daß die aus Folie und Kugeln bestehende Anordnung eine feste Einheit bildet, daß die Ablagerung als Träger für eine aktive Materialschicht dient und daß beiderseits der Metallfolie Metallröhren in die Ablagerung münden.

4. Gasdiffusionselektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln aus Nickel bestehen.

Neue Unterlagen (Art. 711 au. 2 Nr. ι

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5. Gasdiffusionselektrode nach einem oder mehreren der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Metallkugeln hohl sind.

6, Gasdiffusionselektrode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den porösen !.Tetallträger abgelagerte aktive Material aus gesintertem Silber-Nickel besteht.

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