DE1671476C - Gas-Diffusionselektrode für elektrochemische Vorrichtungen, insbesondere für Brennstoffelemente und Elektrolyseure - Google Patents

Description

1 ^X 2

Gegenstand %Jer vorliegenden Erfindung ist eine öffnungen des Netzes oder Siebes bzw. die Ober-Gas-Diffusionselektrode für elektrochemische Vor- flächenporen der Sinterfolie von diesem Material

richtungen* insbesondere Brennstoffelemente-und EIek- möglichst ausgefüllt sind. Die poröse oder perforierte trolyseure,-bei der das poröse elektrochemisch aktive Trägerfolie 11 enthält nur in einem wesentlichen Teil

Material eine-geschlossene, von Dichtungsmaterial, 5 des zentralen Bereiches der Elektrode das elektro-

vorzugsweise aus Kunststoff, eingegrenzte Fläche chemisch aktive Material, wobei der zentrale Bereich

bedeckt, wobei <5as gesamte Dichtungsmaterial und von einer überall gleich hohen Randeinfassung 13

zumindest Flächenteile des elektrochemisch aktiven aus Dichtungsmaterial, z. B. aus Kunststoff, umgebeji

Materials eine metallische, poröse und/oder perforierte ist und die Trägerfolie in einem oder mehreren

Trägerfolie beidseitig bedecken und zumindest teilweise ίο Bereichen über die Randeinfassung 13 hinausragt,

deren öffnungen ausfüllen. · Dieser Aufbau der Elektrode ermöglicht die Zu- bzw.

Um die Konzentrationspolarisation zu beseitigen. Abführung der Betriebsstoffe über Bohrungen 14 ist in der deutschen Patentschrift 1164 525 bereits und 15 in der rahmenartigen Dichtungsschicht, durch vorgeschlagen worden, frischen Elektrolyten durch die die auch der Betriebsstoff für die gegenpoligen Elektrodenpören unter Ausnutzung des Druckgefälles 15 Elektroden über Bohrungen 16 und 17 zugeführt wird, zwischen Gas- und Elektrolytseite durchzudrücken Da der Träger Zugkräfte in der Elektrodenebene auf- und den dabei verdrängten Elektrolyten aufzuarbeiten nimmt, können die Dichtungsstreifen, die keine derund dem Element wieder zuzuführen. Die für die artigen Bohrungen tragen, sehr schmal — wie bei 13
Aufhebung der Konzentrationspolarisation benötigten ausgebildet werden. Die Dichtungsränder bewirken Elektrolytmengen sind jedoch zu gering, um die bei so im Verein mit den zwischenliegenden Diaphragmen den elektrochemischen Vorgängen anfallende Wärme- die Abdichtung gegen den Austritt von Gas oder menge aus dem Brennstoffelement bzw. der Elektro- Flüssigkeit dann besonders gut, wenn auch die lysezelle abzuführen. Dies trifft besonders dann zu, Diaphragmenränder abgedichtet oder hydrophobiert wenn die Elektroden der Batterie nur durch dünne sind. Da das Trägermaterial in einem oder in mehreren feinporige Diaphragmen voneinander getrennt sind, 25 Bereichen über den Kunststoff rand fahnenartig hinausda hier einmal verhältnismäßig viel Wärme auf ragt, lassen sich die elektrischen Verbindungen zwischen kleinem Raum frei wird und zum anderen der Druck, den einzelnen Elektroden außerhalb der Dichtung unter dessen Einwirkung der Elektrolyt die Poren von durch Verlöten, Verschrauben oder Verschweißen Elektroden und Diaphragmen durchströmt, nicht so der Fahnen untereinander oder mit Hilfe von stark erhöht werden kann, daß die Wärme vermittels 30 Sammelschienen herstellen. Die über den Dichtungsdes Elektrolyten abzuführen ist. rahmen hinausreichenden Fahnen weisen gegenüber

Es sind zwar Elektroden für elektrochemische dem die Zelle umgebenden flüssigen oder gasförmigen

Zellen bekannt, die einen metallischen, porösen . Medium eine große Oberfläche auf und bilden daher

und/oder perforierten Träger aufweisen, dessen Poren wirksame Wärmeaustauscherflächen,

mit elektrochemischem Material ausgefülH sind (vgl. 35 In F i g. 2 ist die Kontaktierung und die Wärme-

die französische Patentschrift 1 410157 und die abführung über die Fahnen schematisch dargestellt.

USA.-Patentschrift 2 384463. Durch Verwendung Die Anoden 21 werden auf der einen Seite, die Katho-

eines solchen Trägers allein ist es jedoch nicht möglich, den 22 auf der anderen Seite mit Stromschienen 23 bzw.

die im Inneren von Brennstoffelementen oder Elektro- 24 verbunden. Zur intensiven Kühlung wird das Kühl-

lyseuren entstehende Wärme schnell und sicher 40 medium senkrecht zur Ebene der Elektroden durch

abzuführen. die Fahnen hindurchgeführt.

Es ist. auch bekannt, Elektroden aus platinierten Das Aufbringen der elektrochemisch aktiven Masse

Metallnetzen mit Dichtungsrahmen zu umgeben, auf die Trägerfolie kann auf verschiedene Weise

wobei die äußeren Bereiche des Metallnetzes von dem erfolgen. Zweckmäßigerweise verwendet man ein

Dichtungsrahmen bedeckt sein müssen, um eine ein- 45 angeätztes Metallnetz, z. B. aus Nickel, auf das man

wandfreie Abdichtung zu erzielen. Auch durch diese beiseitig vorgefertigte rechteckige oder runde Scheiben

Maßnahme kann eine schnelle Wärmeabführung nicht des Elektrodenmaterials auflegt. Diese werden dann

erzielt werden, sie wird sogar behindert. so angepreßt, daß sie die Perforationen der Netze

Es ergab sich die Aufgabe, einfach herzustellende bzw. Siebe möglichst ausfüllen, und anschließend

Elektroden zu entwickeln, die bei hoher Zugfestigkeit 50 gesintert oder gleich bei erhöhter Temperatur durch

leicht sind und vor allem die Möglichkeit bieten, die Heißpressen verfestigt und derart mit dem Träger

in ihrem Bereich entstehende Wärme unmittelbar verbunden. Man kann die Trägerfolien auch durch

und schnell abzuführen. eine Walze laufen lassen, in der es mit dem elektro-

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß bei der chemisch aktiven Material beschichtet wird. AnElektrode, die eine poröse oder perforierte Trägerfolie 55 schließendes Sintern oder Heißpressen stellt den besitzt, Teile der Trägerfolie über die vom elektro- Verbund zwischen Träger und Elektrodenmaterial her. chemisch aktivem Material und dem Dichtungsmaterial Zur Anfertigung des Dichtungsrahmens kann man bedeckte Fläche hinausragen. einen Thermoplasten verwenden, der bei seiner

Eine derartige Gas-Diffusionselektrode ist dünn Verarbeitungstemperatur auf die in einer Preßform

und leicht, sehr zugfest, gut abgedichtet und ist vor 60 befindliche Elektrodenmatte aufgetragen wird. Man

allem in der Lage, die in der Zelle auftretende Wärme kann den Rahmen aber auch aus einem Gießharz

schnell abzuführen. herstellen, indem man die Elektrodenmatte in eine

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elek- geeignete Form einlegt und dann das Harz vergießt

trode ist schematisch in F i g. 1 wiedergegeben. Die und verfestigt.

Elektrode besteht aus einem Drahtnetz, einem Sieb- 65 In F i g. 3 sind zwei ringartige Bereiche der Trägerblech oder einer Sinterfolie 11, die in einem zentralen folie 11 von aktiver Elektrodenmasse frei. Diese Bereich 12 beidseitig mit dem elektrochemisch aktiven Masse nimmt die rechteckige Fläche 12 ein, während Elektrodenmaterial derart beschichtet ist, daß auch die die Einfassung mit 13 bezeichnet ist.

Man kann auch gemäß F i g. 4 und 5 das aktive Elektrodenmaterial 42, 52 ringartig auf den Träger, dessen Fahnen mit 41 bzw. Sl bezeichnet sind, aufbringen und innen wie außen je einem Kunststoffrand 43 und 44 bzw. 53 und 54 einfassen. In diesem Fall bilden die fertigen Elektroden nach dem Zusammenbau zur Batterie einen von den Trägerfolien durchquerten Kanal 48 bzw. 58, durch den man bei entsprechender Anpassung der Diaphragmen das Kühlmedium leiten kann.

Beispiel

Ein Nickelnetz von 35 μ Maschenweite und 50 μ Drahtstärke wird in heißer wäßriger Salzsäure angeätzt, gewaschen und getrocknet. Sodann schneidet man ein kreisrundes Stück von 80 mm Durchmesser aus und spannt es zwischen die beiden Hälften einer zweigeteilten Preßmatrize. In die eine Matrizenhälfte wird ein Preßstempel soweit eingeführt, bis er das Netz berührt. Danach wird von der anderen Seite in die 40 mm dicke Preßbohrung 6 g Doppelskelett-Katalysatormaterial eingestiichen, der Stempel eingeführt und anschließend von der anderen Seite her ebenfalls 6 g des weiter unten beschriebenen Doppelskelett-Katalysatormaterials eingefüllt. Danach erwärmt man die Matrize auf 400⁰C und verdichtet das die Trägerfolie umgebende Pulver unter einem Druck von 301. Danach werden die beiden Hälften der Matrize auseinandergeschraubt und die Elektrodenmatte herausgenommen.

Auf beide Seiten der Trägerfolie werden 1,5 mm dicke Scheiben aus Polyäthylen von 41 mm Innen- und 60 mm Außendurchmesser aufgelegt und bei 180⁰C zwischen zwei geheizten Stahlplatten miteinander verschweißt und auf Elektrodenstärke gedrückt. Trotz der schlechten Wärmeleitung verschweißen die Scheiben sehr gut miteinander, weil das Drahtnetz für eine gute Wärmezufuhr sorgt. Es bleibt ein überstehender ringförmiger Rand des Drahtnetzes von 20 mm Breite stehen, der erfindungsgemäß zur Wärmeabfuhr aus der Zelle dient.

Sauerstoff- und Wasserstoff elektroden für Brennstoffelemente werden in gleicher Weise hergestellt. Sie unterscheiden sich lediglich in der Art des für den Elektrodenaufbau verwendeten Doppelskelett-Katalysatormaterials (DSK-Material). So bestand die Mischung der Wasserstoffelektrode aus 2 Gewichtsteilen Carbonylnickel (Korngröße <7 μ), 1 Gewichtsteil Raney-Nickellegierung (Al: Ni = 50:50 Gewichtsprozent, Korngröße 35 bis 50 μ). Für die Sauerstoffelektrode enthielt die Mischung 2,5 Gewichtsteile Carbonylnickel und I Gewichtsteil Raney-SilberlegieiAl-Ag = 35:65 Gewichtsprozent, Korngroße S i) Nach der Aktivierung in heißer KOrl-Losung wurden die Elektrodenränder mit Bohrungen fur d.e Führung der ReaktionSgase versehen und zu einem Elektrodenblock aus jeweils zwei Wassers; tofi- und zwei Sauerstoffelektroden in. Parallelschaltung zusTiLengesetzt. Der Elektrodenblock war mit 4 A bei

Man Kann «ns elektrochemisch aktives Material ίο viele andere bekannte Elektrodensubstanzen verwenden ; es sei auch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß ein Brennstoffelement, welches mit Elektroden gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, auch mit anderen Betriebsstoffen als mit den vorher genannten Gasen Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden kann. Die als Netz, Sieb oder poröse Sinterscheibe ausgebildete Trägerfolie übernimmt die Aufgaben einer Gasleitschicht. Ist im zentralen Bereich der Elektrode keine Trägerfolie vorgesehen, so wird bei ao der Elektrodenherstellung zwischen die beiden Schichten aus elektrochemisch aktivem Material eine gröberpoiöse bis grobzellige Mittelschicht eingebaut.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gas-Diffusionselektrode für elektrochemische

Vorrichtungen, insbesondere Brennstoffelemente und Elektrolyseure, bei der das poröse elektrochemisch aktive Material eine geschlossene, von ■- Dichtungsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff,

eingegrenzte Fläche bedeckt, wobei das gesamte Dichtungsmaterial und zumindest Flächenteile des elektrochemisch aktiven Materials eine metallische, poröse und/oder perforierte Trägerfolie beidseitig bedecken und zumindest teilweise deren öffnungen ausfüllen, dadurch gekennzeichne t, daß Teile der Trägerfolie (11, 41, 51) über die vom elektrochemisch aktiven Material (12,42,52) und dem Dichtungsmaterial (13, 43, 44, 53, 54) bedeckte Fläche hinausragen.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsstreifen (13, 43, 44, 53, 54) Ausnehmungen (14, 15, 16, 17) für die Zu- und Ableitung der Betriebsstoffe aufweist.

3. Elektrode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Trägerfolie (11, 41, 48, 51, 58) aus gesintertem Metallpulver oder einem Drahtnetz besteht.

4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemisch aktive Material einen von einer Abdichtung umgebenen Bereich der Trägerfolie flächenmäßig umschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen