DE1671443A1

DE1671443A1 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden fuer elektrochemische Vorrichtungen,insbesondere Brennstoffelemente

Info

Publication number: DE1671443A1
Application number: DE19661671443
Authority: DE
Inventors: Scates Thomas Edward; Teller Samuel Henry
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1965-09-30
Filing date: 1966-09-29
Publication date: 1971-09-09
Also published as: GB1152580A; US3332806A

Description

R. ILSE RUCH

PATENTANWALT I D / I H 4 O

Mor·-' ■;;-:-·: N 5

REICHi: :β'.ί:?ΙΚ. 51 TEL 163251

B/Il
5

Leeaona Corporation, Warwick, Rhode Island, USA

Verfahren zur Heratellung von Elektroden für elektroohemieohe Vorrichtungen, inabeaondere Brennstoffelemente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffdiffusionselektrode für eine elektrochemische Vorrichtung, inabeaondere ein Brennatoffelement«

Nieht-poröae Waaaeratoffdiffuaionaelektroden für Brennatoffelementö, die aus einer Palladium/Silber-Legierung bestehen, und ihre Vorteile aind beiapielaweiae in der USA-Patentachrift 3 092 517 beachrieben* Derartige Elektroden ermöglichen die Verwendung von unreinem Waaaeratoff ala Brennetoff und einea freiflieeeenden Elektrolyten, ohne dae die den porösen Elektroden anhaftenden Schwierigkeiten, wie ein Überfluten der Elektrode oder ein Durchperlen dea gasförmigen Brenn-

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stoffes durch die Elektrode, auftreten^ Ausserdem können mit Palladium/Silber-Legierungen Wasserstoffdiffusionselektroden von sehr geringem Gewicht hergestellt werden,so daß Brennstoffelemente mit hoher Energieausbeute, bezogen auf Volumen und Gewioht, erhalten werden können*, Membranen aus einer solchen Legierung unterliegen jedoch bei hohen Temperaturen einer auf die Absorption von Wasserstoff zurückzuführenden Expansion. Durch wiederholte Wasserstoffabsorption und

/freitrangende -desorption wird eine dünne/solche Membran Beanspruchungen ausgesetzt, die zu gegebener Zeit zum Ausfall dieser Elektrode führen,, Ausserdem kann die Expansion der Membran zu einer Berührung der Elektrode mit einer leitenden Fläche des Brennstoffelementes und damit zu einem Kurzschluss führen« Auch hinsichtlich der Abdichtung des Elementes ergeben sich bei der Verwendung derartiger Membranen Schwierigkeiten -

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Waseerstoffdiffusionselektrode mit einer Membran aua einer Palladium/Silber-Legierung für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere ein Brennstoffelement* Das Verfahre ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein Nickeldrahtnetz mit einer dünnen Goldschicht überzieht, das mit dem Goldüberzug versehene Nickeldrahtnetz auf eine dünne Membran aus einer Palladium/Silber-Legierung presst und beido zusammen unter Beibehaltung des Druckes auf eine ausreichend hohe Tempera-

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tür, um den Nickel trag er mit der Palladiuiq/Silber-iMeiabran zu verbinden, erhitzte

Durch die Verwendung des Nickelträgers wird ea möglich, mechanisch: feste Wasserstoffdiffusionselektroden mit ausserordentlich dünnen Membranen aus Palladiun/Silber-Legierungc]: herzustellen, wodurch sowohl die Kosten der Elektrode verringert als auch die Wasserstoffdurchlässigkeit je Flächeneinheit der Membran erhöht v/erden« Das ala Träger verwendete Niokeldrahtneta muss derart sein, das es eine möglichst grossG Oberfläche der Membran für die Absorption und Diffusioi von Wasserstoff freilässt·

Bei der beschriebenen Verbindung von Träger und Wasseret off diffus lonsmembran diffundieren Gold, Palladium /Silber legierung und Nickel ineinander, und es wird eine einheitliche Verbindung von hoher mechanischer Festigkeit, geringem elektrischem Widerstand und guter chemischer Verträglichkeit sowohl mit den Bindungskomponenten als auch mit den umgebenden Oasen, wie feuchter Wasserstoff und Reaktionsprodukten, erhalte Außerdem 1st der Expansionskoeffizient der verschiedenen Bindungskomponenten praktisch gleich, so daß die mechanische Festigkeit auch bei Temperaturfinderungen nicht verschlechtert wird. Das Wasserstoffdiffuslonsvermögen und die elektrochemische Aktivität der Membran werden bei dem Verfahren nicht verschlechtert.

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Die Wasserstoffdiffusionselektroden gemäß der Erfindung können natürlich auch zur Reinigung von Wasserstoff verwendet werden.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden.

Beispiel

Ein aus Nickeldraht mit einem Drahtdurchmesser von 0,0125 cm bestehendes Netz mit 80# offener Fläche und eine Membran aus einer Palladium/Siiber-Legierung von 0,0020 cm Dicke wurden in Trichlorethylen entfettet. Dann wurden das Hetz und die Membrcj mit Al₂Oj (325 grit) unter einem Druck von 0,5 atti dampf geblasen und mit entmineralisiertem Wasser gespült. Das Nicke1-drahtnetz wurde in üblicher Welse elektrochemisch mit einer Ooldplattierung von 0,0023 cm Dicke versehen. Das Nlckeldrahfcnetz und die Membran wurden zwischen zwei flachen Graphitblöcken übereinandergelegt und mit 4,5 kg belastet. Dann wurde die Elektrode eine Stunde lang in einer HeliumatmosphMre einer Wärmebehandlung bei 93O°C unterworfen und dann langsam in der Heliumatmosphäre abkühlen gelassen.

Die so erhaltene Elektrode, in der das Nickeldrahtnetz gleichmäßig an die Membran gebunden war, besafl eine hohe mechanische Festigkeit. Die Bindung . erwies eich als außerordentlich gleichmäßig. Die Elektrode wurde über 100 Stunden

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bei 204 bis 260"C Wasserstoffabsorptions/Desorptions-Zyklen unterworfen, ohne zu zerfallen. Wenn dagegen ein Nickeldrabtnetz nach Üblichen Methoden an eine Membran aus einer Palladium/Silber-Legierung gebunden wird» so besteht die erhaltene Elektrode die obige Prüfung nicht« ohne daß sich die Palladium/Silber-Membran von dem Träger lust oder die Membran reißt.

Zeit und Temperatur der Wärmebehandlung hängen voneinander ab und sind einigen Variationen unterworfen. Wesentlich ist, daB Zelt und Temperatur so gesteuert werden, daß die zur Bindung erforderliche Durchdringung ermöglicht werden. Wenn das Produkt des Verfahrens als eine Wasserst off diffusionselektrode verwendet werden soll, mud, wie oben erwähnt, eine möglichst große Fläche der Membran frei bleiben. Da die durch die Membran hindurchdiffundierende Wasserstoffmenge der Dicke der Membran umgekehrt und der Fläche der Membran direkt proportional 1st, kann genau berechnet werden, von welchem Punkt an die Verwendung einer dünnen Membran mit einem Träger anstelle einer dioken Membran ohne Träger aufhört, vorteilhaft zu sein. Das Fick'sche Gesetz ergibt:

df

worin η - Mol zahl

D » Diffusionskonstante für Palladium/Silber,

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P =« Fläche der Membran L = Dicke

R « universelle Gaskonstante T m Temperatur

P *a Wasserstoffpartialdruck auf jeder Seite der Membran.

Angenommen, eine Membran mit einer Dicke von 0,0038 cm könne überhaupt ohne Träger verwendet werden, so würde der durch die Aufbringung des Trägers bedingte 20#-ige Verlust an freiliegender Fläche durch die etwa 50Ji-ige Senkung der Dicke der Membran mehr als aufgewogen. Die Elektrode des vorliegenden Beispiels hat aber nicht nur eine verbesserte Permeabilität, sondern außerdem eine bessere mechanische Festigkeit als die trägerlosen Elektroden, und eine mögliche Schädigung der Elektrode durch Expansion ist nicht zu befürchten« Der Nickölträger läßt vorzugsweise 60 bis 90£ der Oberfläche der Membran frei. Der Goldüberzug auf den Nickelträger, der vorzugsweise durch Elektroplattieren aufgebracht wird, aber auch auf chemischem Wege oder nach anderen Methoden aufgebracht werden kann, hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,00023 bis 0,028 cm. Die Palladium/Silber-Legierungen enthalten 5 bis 40 Oew.-£ Silber. Solche Leglenngen haben sich als ausreichend wasserstoffdurohlässig erwiesen, um als Elektrode in einen Brennstoffelement verwendet zu werden* und besitzen die erforderliche elektrochemische Aktivität. Optimale Eignung für eine

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Verwendung in Brennstoffelementen haben Legierungen, die etwa 25# Silber und 75# Palladium enthalten. Derartige Membrane haben besonders gute elektrochemische Aktivität und ergeben eine optimale Verbindung mit dem Träger. Die Dicke der Membran liegt vorzugsweise in dem Bereich von etwa 0,00025 bis etwa 0,0025 cm. Die Wahl einer bestimmten Membran hängt von dem Verwendungszweck ab.

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Claims

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-β -

Patentanspruch

1. Verfahren zur Herstellung einer Wasseretof fdif fusionselektrode Bit einer Membran aus einer Palladlua/Bllber« Legierung für eine elektrochemische Vorrichtung« insbesondere ein Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, dafl man ein Drahtnetz o.dgl. aus Nickel nit einer dünnen Goldschicht Übersieht» das Bit dea OoldUberzug versehene Nickeldrahtnetz auf eine dünne Meebran aus einer Palladium/Silber-Legierung preBt und beide unter Beibehaltung des Druckes auf eine ausreichend hohe Temperatur, vm den goldüberzogenen Nickelträger alt der Palladium/Silber-Membran zu verbinden, erhitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nan eine Membran aus einer Palladiun/Sllber-Legierung mit 5 bis 4QJt und vorzugsweise 85Jf Silber, Rest Palladium, verwendet.

3* Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nan die Goldsohlcht durch Elektroplattieren auf den Nickelträger aufbringt.

nach elness der vorhergehenden Ansprüche*

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dadurch gekennzeichnet, daß man einen Nickelträger verwendet, der 60 bis 90£ der Oberfläche der Membran frellHflt und diesen Träger mit einem OoldÜberzug mit einer Dicke von etwa
0,00025 bis 0,038 cm versieht.

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