DE1671710A1 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit Raney-Katalysatoren fuer Brennstoffzellen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit Raney-Katalysatoren fuer Brennstoffzellen

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DE1671710A1
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Description

R. 9133
ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1, Breitsclieidstrasse 4
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Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit Raney-Katalysator für Brennstoffzellen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, nach dem es möglich ist, sogenannte Raney-Legierun^n mit Kunststoffen vom Typ des Polyteträfluoräthylens (PTFE) zu Katalysator-Elektroden, besonders für Brennstoffzellen, zu verarbeiten·
Im folgenden wird die Bezeichnung "Raney-Legierung" für eine Metall-Legierung verwendet, die aus einem oder mehreren chemisch relativ beständigen, als Katalysator geeigneten Me* tallen und aus einem relativ leicht angreifbaren Metall wie Aluminium, Zink oder ähnlichem besteht, welches aus der Legierung mit Laugen oder Säuren herausgelöst werden kann, wobei ein sehr fein verteilter Rücketand des erstgenannten beständigen Metalls verbleibt· Dieser Rückstand wird als
SUC J.,.G, lagen !Art. 7 § l Abs, 2 Nr. 1 Sate 3 des Xnderunoege·. v. 4. S. 1967)
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"Raney-Katalysator" bezeichnet (vgl. US-Patentschrift 1.563.587')·
Die Verwendung solcher Raney-Katalysator en in Brennstoffzellen ist seit langem bekannt (deutsche Patentschrift 1,071.789, 1.233.834). Ebenso ist bekannt, Kunststoffe als Grundmaterial zu verwenden und nur wenig Katalysator einzulagern, um die Elektroden möglichst leicht zu machen (DAS 1.219.105, 1.183.149). Neben Polyäthylen und Polyvinyl-Chlorid wird bevorzugt PTFE benutzt wegen seiner Temperaturbeständigkeit und.besonders hohen Korrosionsfestigkeit (US-Patentschrift 3.274.031). Insbesondere beim Herstellen hydrophober Elektroden, die mit einer PTFE-Rückschicht versehen werden, ist es vorteilhaft, PTFE auch in der katalysatorhaltigen Schicht zu verwenden, da dann die Verbindung zwischen den Schichten besonders haltbar wird. Nachteilig ist dabei, daß bei den zum Sintern des PTFE erforderlichen Temperaturen viele Substanzen im feingepulverten Zustand leicht mit dem Fluor des PTFE reagieren, wobei heftige Explosionen eintreten können. Bei Versuchen, die geschilderten Vorteile des PTFE mit den bekannten guten Eigenschaften der Raney-Katalysatoren zu vereinigen, zeigte sich, daß Raney-Legierungen wegen ihres Gehaltes an Aluminium oder anderen sehr reaktionsfähigen Metallen, wie z.B. Zink oder Calcium, besonders heftig mit PTFE zu reagieren vermögen.
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~ 3 - ■ ■ ■ - -
Zwar wird in der DAS 1.183· 149, Spalte 4, Zeile 48, behauptet, Polytetrafluoräthylen eigne sich für das dort beanspruchte Verfahren der Herstellung von Elektroden durch Sintern von Kunststoff mit Raney-Legierung, indessen hat sich in zahlreichen Versuchen mit verschiedenen solchen Legierungen gezeigt, daß vor allem bei sehr feiner Körnung (z.B. -^ 25 /Um) oft Reaktionen mit starker Wärmeentwicklung ablaufen, sobald die Substanzmischung erhitzt wird· Es hängt sicher von der Geometrie der Versuchsanordnung ab, ob die entstehende Wärme rasch genug abgeführt wird',* so daß nur eine leichte oberflächliche Reaktion des Katalysators eintritt; bei der Herstellung von praktisch verwendbaren Elektroden mit Flächen von größenordnungsmäßig 100 cm oder mehr bei Dicken von ca. 1 mm treten aber leicht Wärmestauungen auf, die wiederum zur Beschleunigung der Reaktion führen, so daß schließlich manchmal eine explosionsartige Verbrennung der Elektrodenscheibe eintritt. Selbst bei weniger heftiger Reaktion entweichen Zerfallsprodukte, die bei der Herstellung von Gaselektroden mit PTFE-Rückschicht (etwa nach den unten angeführten Beispielen 1 und 3) diese Rückschicht wasserbenetzbar und damit die Elektrode unbrauchbar machen.
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Zur Belegung dieser Behauptungen seien folgende Beobachtungen angeführt:
a) 25 Vol.-% Legierung PdQ 6AgQ 4A12 + 25 Vol.-% Silberpulver + 25 Vol.-tf PTFE-Pulver + 25 Vol.-% Natriumchlorid, gepreßt und in Stickstoffatmosphäre erhitzt, ergibt explosionsartige Reaktion.
b) 15 Vol.-% Legierung PdQ gAg0 4Al3 + 25 Vo1. -% Carbonyl Nickel + 20 Vol.-96 PTFE-Pulver + 40 Vol.-% Natriumchlorid, gepreßt und in Stickstoffatmosphäre erhitzt, ergibt lebhafte Reaktion.
c) 30 Vol.-96 Legierung PdQ 2'Ni0 gAl3 + 30 Vol.-96 Graphitpulyer + 25.Voi;-% PTFE-Pulver + 15 Vol.-% Natriumchlorid, gepreßt und in Argonatmosphäre erhitzt, reagiert explosions artig.
d) 30 Vol.-% Legierung PdQ 1NiQ QA13 Φ 20 VoI·-% Carbonyl-Nickel +25 Vol.-% PTFE-Pulver + 25 Vol.-% Natriumchlorid, gepreßt und in Wasserstoffatmosphäre erhitzt, reagiert
. unter Rauchentwicklung.
e) 35-Vol.-96 Legierung PtAl5 + 30 Vol.-96 Vanadiumcarbid + 20 Vol.-% PTFE-Pulver + 15 Vol.-% Natriumchlorid, gepreßt und in Luft erhitzt auf 3700C; Die Mischung verkohlt (Rekation nicht beobachtet)
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_ 5 —
f) 50 VoI.-% Legierung Ni2Al5+ 50 VoI,-# PTFE-Pulver, gepreßt in Luft erhitzt reagiert mit Fiamraenerscheinung.
Verwendet man andererseits bereits aktivierte (d.h. vom überschüssigen Aluminium durch Lösen in Lauge oder Säure befreite) Raney-Katalysatoreh, so findet die erwähnte lebhafte Reaktion nicht statt, was beweist, daß das Aluminium der Legierung Hauptreaktionspartner war* Dafür aber zeigt sich,daß diese Katalysatoren bei dem erforderlichen Sinterprozeß ihre Aktivität zu verlieren pflegen, sei es durch' Rekristallisationsvorgänge bei der Temperatur von ca. 35O0C, oder auch durch die Wirkung von beim Erhitzen des PTFE auftretenden fluorhaltigen Gasen«
Die Aufgabe bestand daher darin, ein Verfahren zu finden, das es erlaubt, Raney-Legierungen mit PTFE zusammen bis zum Sintern zu erhitzen, ohne daß das Aluminium mit dem PTFE reagiert, so daß man den fertiggesinterten und abgekühlten Elektrodenrohling nur noch zum Lösen des Aluminiums mit Lauge zu behandeln braucht, um eine Raney-Katalysator enthaltende, aktive Elektrode zu erhalten. Außerdem muß das Verfahren zu elektrisch leitfähigen Körpern führen, da nur solche als Elektroden brauchbar sind«
Überraschenderweise zeigte sich, daß der Zusatz bestimmter
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Silbersalze zur Mischung aus PTFE-Puiver und Raney-Legierung den gewünschten Zweck erfüllt, und zwar solcher Salze, die erstens in sehr fein pulverisierte Form gebracht werden können und zweitens beim Erhitzen auf die Sintertemperatur Gase abgeben. Es sind dies z.B. Silberoxalat, Silberoxid und vor allem Silbercarbonat. Der Vblumenanteil an Silbersalz soll dabei wenigstens ebenso groß sein wie der an Raney-LegierungjUm mit Sicherheit die oben dargelegte unerwünschte Reaktion zu vermeiden.
Die sehr feinpulverigen Silbersalze (Korngröße unter 10 ,um) umhüllen vermutlich die Teilchen der Raney-Legierung und schützen sie außerdem durch einen Strom sich entwickelnder Gase, wie CQ2, H2O usw. «die die Reaktion mit fluorhalt igen Zersetzungsprodukten des PTFE verhindern· Die Raney-Legierung soll dabei vorzugsweise in einer Korngröße zwischen 20 und 100 /um vorliegen, um ein solches Einhüllen zu erlauben und um allzu innigen Kontakt mit den PTFE-Teilchen zu vermeiden.
Die Verwendung der genannten Silberverbindungen hat zugleich den Vorteil, daß durch das beim Erhitzen entstehende metallische Silber der entstandene Körper eine hohe elektrische Leitfähigkeit erhält, selbst wenn der Raney-Katalysator nur in verhältnismäßig geringer Menge in der Elektrode enthalten
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ist. Dies ist besonders wichtig, wenn kostspielige Katalysatoren, wie Platin oder Platinmetalle, eingesetzt wer- ■ den, die bereits in einer geringen Menge ausreichend katalytisch aktiv sind, die allein jedoch noch keine Leitfähigkeit der Elektrodenmasse gewährleisten würde.
Im allgemeinen ist es erforderlich» Brennstoffzellen-Elektroden porös zu machen, damit die eingesetzten Brennstoffe die Katalysatorteilchen erreichen können. Eine solche Porosität laßt sich in bekannter Weise durch Zumischen von löslichen oder verdampfbaren Salzen zur Grundmischung er- ^P reichen, weil diese Substanzen entweder beim Erwärmen ' (Sintern) oder beim anschließenden Lösen des Aluminiums entfernt werden und an ihrer Stelle Hohlräume (Poren) zunicklassen. Als besonders günstig hat es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erwiesen, leichtflüchtige Ammonsalze wie Ammoniumcarbonat zu verwenden. (Unter der Bezeichnung Ammoniumcarbonat sei hier sowohl die Verbindung (NH4)OCO-wie das Bicarbonat (NH4)HeO3 und auch das Carbamat (NH4)NH2COg verstanden, die ohnehin in Handelsprodukten ge- m wohnlich in Mischung vorliegen)» Die Entwicklung der Zersetzungsprodukte NH3 und COo neben H„0 bewirkt offenbar in besonderem Maße den oben beim Silbercarbonat erwähnten Schutzgas-Effekt .
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Das Verfahren wird in folgenden Beispielen näher beschrieben:
Beispiel 1:
Eine Mischung folgender Pulver wird hergestellt: Raney-Niekel(NiAl3, Korngröße 40-80yum 1,46g » 25 Vol.-%. Silbercarbonat, Korngröße < 5 /tun . 2,72g » 30 Vol.-% PTFE-PuIver, Korngröße 200-500 ,um 0,84g = 25 Vol.-% Ammoniumcarbonat,Korngröße <80,um 0,48g «■■ 20 Vol.-%
Die Pulver werden unter kräftigem Druck in einer Heibachale verknetet, bis eine schuppige Masse entsteht· Diese Masse wird in einer Schlagkreuzmühle wieder zu einem lockeren Pulver zerkleinert. Dieses Pulver wird in eine Preßform von 48 mm Durchmesser eingefüllt und mit 36 Mp a 2 Mp/cm gepreßt. Auf den Preßling werden in der geöffneten Form 3 g PTFE-Pulver aufgestreut und mit leichtem Druck (-cav 1 kp) angedrückt. Dann wird die Scheibe der Form entnommen und in Wasserstoffatmosphäre zuerst 3h auf 190°C (um die Carbonate zu zersetzen), dann 2 h auf 3500C erhitzt (um das PTFE zu sintern). Die Scheibe wird in verdünnte (ca. In) Kalilauge gebracht, die schließlich gegen Ende der Gasentwicklung bis auf 800C erwärmt wird. Das Ergebnis ist eine hydrophobe Anode für eine Wasserstoff umsetzende Brennstoffzelle.
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Beispiel 2:
In gleicher Weise wie in Beispiel 1 werden folgende innige Substanzgemische hergestellt:
a) als katalysatorhaltige Schicht Raney-Palladium-Silber (PdAgAIg),Korngröße 40-80 ,um
4,7 g - 20'Vol.-tf-
Silbercarbonat 8,1g» 30 Vol.-%
PTFE-Pulver 2,0 g «20 Vol.-%
Ammoniumcarbonat 2,2 g » 30 Vol.—%
b) als stabile Trägerschicht
Silbercarbonat 10,1 g » 35 Vol.-# PTFE-Pulver 3,2 g - 30 Vol.-tf Ammoniumcarbonat 2,7 g » 35 Vol.-%
In eine Preßform von 90 mm Durchmesser wird zuerst Mischung a) eingebracht, gleichmäßig verteilt und darauf Mischung b) ausgebreitet. Nun wird mit 190 Mp =« 3 Mp/cm gepreßt und anschließend eine Wärmebehandlung und Aktivierung wie in Beispiel 1 vorgenommen. Die entstandene Elektrode, die einen Palladiumgehalt von 20 mg/cm hat, eignet sich als Brennstoff zellen-imjsersiönselektrode für den Umsatz von Methanol, das im Elektrolyten Kalilauge gelöst ist.
Beispiel 3s
Um eine Sauerstoff- (Luft-) Elektrode herzustellen, verfährt
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man ähnlich wie in Beispiel 1, verwendet aber als Katalysator eine Raney-Silber-Platin-Legierung der Zusammensetzung Ag0 99Pt0 01Α^3* D"*"e Zusammensetzung der aktiven Schicht beträgt dann
Raney-Legierung, Korngröße 40-80yum 4,0g « 20 Vol.-% Silbercarbonat 6,7g « 25 Vol.-%
" PTFE-Pulver 2,4g = 25 Vol.-%
Ammoniumoxalat, Korngröße^40 /um 2,9g = 30 VoI·-96---
Nachdem diese Mischung in einer Preßform von 90 mm Durchmesser mit 190 Mp = 3 Mp/cm gepreßt ist, wird eine Schicht von 12 g PTFE-Pulver aufgebracht, anschließend gesintert
■
und aktiviert wie. in Beispiel 1· Sie enthält nur 0,6 mg/cm IMntin. Rino solche Eloktrode kann drucklos, sogar mit einem leichten Überdruck auf der Elektrolytseite (bis ca. 30 cm WS) betrieben werden und eignet sich besonders für den Betrieb mit Umgebungsluft.
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Claims (7)

• 167171Q Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Elektroden aus einer Mischung aus Polytetrafluoräthylen und pulverisierter Raney-Legierung für Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet , daß der Mischung ein unterhalb oder bei der Sintertemperatur des Polytetrafluoräthylens zersetzliches Silbersalz beigemischt wird, worauf in an sich bekannter Weise ein Elektrodenkörper geformt, in inerter oder reduzierender Atmosphäre gesintert und schließlich durch Herauslösen des löslichen Anteils der Raney-Legierung aktiviert wird·
2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischung aus Polytetrafluoräthylen-Raney-Legierung und Silbersalz ein pulverisiertes leichtflüchtiges Amman— salz zugesetzt wird.'
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silbersalz Silbercarbonat ist.
4» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Korngröße des Silbersalzes unter etwa 10 /um liegt·
'Art 7 gl Abs,2Nr.I Satz 3 des,,Äi,4arta.ii.at2S. v.
4.3,19S7)
5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Korngröße der Raney-Legierung nicht kleiner als etwa 20 /um und nicht größer als etwa 100 /um ist,
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge-. kennzeichnet, daß das Ammonsalz ein Carbonat ist,
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Volumenanteil an Silbersalz in der Mischung wenigstens ebenso groß ist wie der der Raney-Legierung·
109839/030S
DE19671671710 1967-05-30 1967-05-30 Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit Raney-Katalysatoren fuer Brennstoffzellen Pending DE1671710A1 (de)

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