DE2011232C2

DE2011232C2 - Electrode for metal / oxygen and fuel cells

Info

Publication number: DE2011232C2
Application number: DE2011232A
Authority: DE
Inventors: Derek Peter Ropley Alresford Hampshire Gregory
Original assignee: Berec Group Ltd
Current assignee: Berec Group Ltd
Priority date: 1969-03-21
Filing date: 1970-03-10
Publication date: 1982-06-09
Also published as: SE376118B; DE2011232A1; FR2035160B1; GB1272095A; JPS5037377B1; FR2035160A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für Metall/Sauerstoff- und Brennstoffzellen mit einer aus elektrochemisch katalytischem Material bestehenden Schicht, die eine Reaktion mit einem flüssigen Elektrolyten eingeht, die auf einer Seite einer aus hydrophobem Material bestehenden Schicht angeordnet ist, und die für Gase durchlässig sowie für flüssige Elektrolyten im wesentlichen undurchlässig ist.The invention relates to an electrode for metal / oxygen and fuel cells with a electrochemical catalytic material layer that reacts with a liquid Electrolyte enters, which is arranged on one side of a layer made of hydrophobic material and which is permeable to gases and substantially impermeable to liquid electrolytes.

Es ist bereits eine Elektrodenausführung für Metall/ Sauerstoff- und Brennstoffzellen vorgeschlagen worden (DE-OS 19 20 688), die den Grenzstrom der Zelle durch Reduzieren des Diffusionsvermögens der Sauerstoff (Luft)-Elektrode reduziert. Dadurch wiederum wird die Verdampfung des Elektrolyten der Zelle herabgesetzt und damit die Lebensdauer des Elementes durch Verlangsamen des Austrocknens der Zelle erhöht. Das Diffusionsvermögen der Elektrode wird durch Herabsetzen des Diffusionsvermögens einer hydrophoben Schicht auf der Sauerstoffseite reduziert. Diese Ausführungsform hat in der Praxis außerordentliche gute Ergebnisse gezeigt und ermöglicht, daß Gewicht der Zelle oder der Batterie ohne Herabsetzung der Lebensdauer erheblich zu verkleinern, da zu Beginn weniger Elektrolyt benötigt wird. Es haben sich jedoch gewisse Schwierigkeiten bei einer genauen Kontrolle des Diffusionsvermögens der hydrophoben Schicht ergeben.An electrode design for metal / oxygen and fuel cells has already been proposed (DE-OS 19 20 688), the limit current of the cell by reducing the diffusivity of the oxygen (Air) electrode reduced. This in turn reduces the evaporation of the cell's electrolyte thus increasing the life of the element by slowing down the drying out of the cell. That Diffusivity of the electrode is made hydrophobic by lowering the diffusivity Layer reduced on the oxygen side. This embodiment works extremely well in practice Results shown and allows that weight of the cell or battery without degrading the Significantly reduce the service life, as less electrolyte is required at the beginning. It did, however certain difficulties in precisely controlling the diffusivity of the hydrophobic layer result.

Aus GB-PS 11 27 955 ist ferner eine Elektrode bekannt, die aus einer katalytisch aktiven Schicht, einer hydrophoben Deckschicht und einer auf dieser angebrachten porösen hydrophoben Schicht besteht. Eine solche Elektrode soll die Eigenschaft haben, daß sie nicht undicht oder rissig wird, und sie soll ferner eine hohe Stromabgabe besitzen. Hieraus ist jedoch kein Hinweis auf die Verdampfungsgeschwindigkeit oder deren Steuerung bzw. ein die Dampfdurchlässigkeit steuerndes Material zu entnehmen.From GB-PS 11 27 955 there is also an electrode known, which consists of a catalytically active layer, a hydrophobic cover layer and one applied to this porous hydrophobic layer. Such an electrode should have the property that it does not leak or crack, and it should also have a high power output. However, there is none from this Reference to the evaporation rate or its control or the vapor permeability to remove controlling material.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Diffusionsvermögen der hydrophoben Schicht genau zu kontrollieren und die den Grenzstrom der Zelle reduzierende Verdampfungsgeschwindigkeit des Elektrolyten herabzusetzen, damit die Zelle nicht austrocknet.The object of the invention is to precisely control the diffusivity of the hydrophobic layer and the reduce the limit current of the cell reducing the evaporation rate of the electrolyte, so the cell does not dry out.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß auf der anderen Seite der hydrophoben Schicht eine Schicht angeordnet ist, die aus einem Material besteht, das für den Durchgang von Wasserdampf weniger durchlässig ist als die hydrophobe Schicht und das aus mindestens einer der folgenden Schichten besteht: aus synthetischem Kunststoffmaterial wie porösem Polytetrafluoräthylen mit oder ohne Emulsionsanstrich oder unplastifiziertem mikroporösem Polyvinylchlorid, poröser Metallfolie wie Nickelfolie, porösem Filterpapier, porösem Filz, anorganischen Partikeln mit einem Bindemittel oder aus einer gesinterten dünnen keramischen Schicht.
Mit dzT erfindungsgemäßen Elektrode wird erreicht, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit der Elektrolyten herabgesetzt wird, die den Grenzstrom der Zelle reduziert, welcher für Primärzellen mit geringerem Entladestrom toleriert werden kann. Dadurch trocknen derartige Zellen nicht so rasch aus.According to the invention, this is achieved in that a layer is arranged on the other side of the hydrophobic layer, which consists of a material which is less permeable to the passage of water vapor than the hydrophobic layer and which consists of at least one of the following layers: made of synthetic plastic material such as porous polytetrafluoroethylene with or without emulsion paint or unplasticized microporous polyvinyl chloride, porous metal foil such as nickel foil, porous filter paper, porous felt, inorganic particles with a binder or from a sintered thin ceramic layer.
With the electrode according to the invention it is achieved that the evaporation rate of the electrolytes is reduced, which reduces the limit current of the cell, which can be tolerated for primary cells with a lower discharge current. As a result, such cells do not dry out as quickly.

Die hydrophobe Schicht wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, welches ein hohes Diffusionsvermögen und eine Flüssigkeitsdurchdringung gleich Null hat, d. h. aus einer Polytetrafluoräthylenfolie. Diese Schicht aus einem Material geringeren Diffusionsvermögens kann aus einem Material hergestellt werden, daß sich mit dem hydrophoben Material und dem zu benutzenden Reaktionsgas verträgt und das leicht mit unterschiedlichem Diffusionsvermögen hergestellt werden kann, d. h. einem synthetischem Kunststoff oder Metall.The hydrophobic layer is preferably made of a material which has a high diffusivity and has zero liquid penetration, d. H. made of a polytetrafluoroethylene film. This layer made of a material with a lower diffusivity can be made from one material that is compatible with the hydrophobic material and the reaction gas to be used and that can easily be made with different diffusivities, d. H. a synthetic plastic or metal.

Es sind Vergleichsversuche durchgeführt worden, um die Ausführbarkeit der Erfindung sicherzustellen. Daher wurden Zellen mit einer hydrophoben Schicht aus einer porösen Polytetrafluoräthylenfolie allein und mit verschiedenen Dicken eines Emulsionsanstriches auf der Sauerstoffseite der hydrophoben Schicht geprüft. Die Zellen wurden bei 1,5 A sechzehr Stunden lang betrieben, und es wurde die Elektrolytmenge, die nach dieser Zeit übrigblieb, gemessen. Bei den verwendetenComparative tests have been carried out to ensure that the invention can be carried out. Therefore were cells with a hydrophobic layer made of a porous polytetrafluoroethylene film alone and with tested different thicknesses of an emulsion paint on the oxygen side of the hydrophobic layer. The cells were operated at 1.5 A for six hours, and the amount of electrolyte required after that time was left over, measured. The used

so Zellen würde die Elektrolytmenge ohne Dampfverlust 19 ml betragen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.so cells the amount of electrolyte without loss of steam would be 19 ml. The results are in Table 1 shown.

Table I.

SchichtdickeLayer thickness

(g/cm²)(g / cm ² )

Nach dem Versuch
verbleibender Elektrolyt After trying
remaining electrolyte

(ml)(ml)

Elektrolytverlust Electrolyte loss

(ml)(ml)

14,6
15,8
16,0
16,2
16,814.6
15.8
16.0
16.2
16.8

4,4
3,2
3,0
2,8
2,24.4
3.2
3.0
2.8
2.2

Die Versuche für die vorstehend erwähnten Elemente wurden ferner in Durchlässigkeits- und Verdampfungs-The tests for the above-mentioned elements were also carried out in permeability and evaporation

versuche an den angestrichenen und nicht angestrichenen hydrophoben Schichten bestätigt Die Resultate sind in der Tabelle 2 aufgeführtTests on the painted and unpainted hydrophobic layers confirmed the results are listed in Table 2

Table 2 Table 3

Anstrichbelastung Paint load

(mg/cm²)(mg / cm ² )

DurchlässigkeitPermeability

Verdampfungsgeschwindigkeit Evaporation rate

(g/h(g / h

Dicke der
kalandierten SchichtThickness of the
calendered layer

DurchlässigkeitPermeability

(ml-sec ' cm ² mmF^O—1)(ml-sec 'cm ² mmF ^ O-1)

Verdampfungsgeschwindigkeit Evaporation rate

(g/h durch
20 cm²)
+ P.T.F.E.-Schichl (g / h through
20 cm ² )
+ PTFE layer

4,5 x 10"⁵ 4.5 x 10 " ⁵ 0,180.18 KeineNo 4,5 X HT⁵ 4.5 X HT ⁵ 0,1820.182 3,3 x 10"⁵ 3.3 x 10 " ⁵ Schichtlayer (P.T.F.E.)(P.T.F.E.) 00 2,4 x 10"⁵ 2.4 x 10 " ⁵ 0,120.12 0,25 (11)0.25 (11) 89 x 10~^s 89 x 10 ~ ^s 0,070.07 6,56.5 2,3 x 10 ⁵ 2.3 x 10 ⁵ 15 0,19(12)15 0.19 (12) 39 X 10"^s 39 X 10 " ^s 7,37.3 2,1 X 10"⁵ 2.1 X 10 " ⁵ 0,100.10 0,13 (13)0.13 (13) 3,6 X 10"⁵ 3.6 X 10 " ⁵ 0,050.05 8,98.9 1,4 x 10"^s 1.4 x 10 " ^s 0,G30, G3 0,10 (14)0.10 (14) 0,35 x ΙΟ"⁵ 0.35 x ΙΟ " ⁵ IGIG 1,2 x 10"⁵ 1.2 x 10 " ⁵ 15,415.4 20 Die Zeichnung zeigt eine graphische20 The drawing shows a graph Darstellung derpresentation of the 16,916.9

Die vorstehend angegebenen Resultate zeigen, daß ein Element mit einer besonderen, das Diffusionsvermögen begrenzenden Schicht betrieben werden kann und ferner, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird.The above results show that an element with a special, diffusivity limiting layer can be operated and further that the evaporation rate is reduced will.

Weitere Durchlässigkeits- und Verdampfungsgeschwindigkeitsversuche wurden unter Verwendung einer Grenzschicht von kalandriertem, unplastifiziertem, mikroporösem Polyvinylchlorid durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der Tabelle 3 aufgeführt Die anfängliche Dicke der Schicht betrug 0,762 mm vor dem Kalandrieren.Further permeability and evaporation rate tests were made using a boundary layer of calendered, unplasticized, microporous polyvinyl chloride. The results of these tests are given in Table 3 The initial thickness of the layer was 0.762 mm before calendering.

oben angegebenen Durchlässigkeitswerte, welche den Luftstrom in cc/sec gegenüber dem Druck in mm Wasser zeigt. Die Kurvenbezugszahlen sind in der ersten Spalte der Tabelle 3 in Klammern dargestellt.The permeability values given above, which show the air flow in cc / sec against the pressure in mm Water shows. The curve reference numbers are shown in the first column of Table 3 in brackets.

Über die beiden oben erwähnten Materialien hinaus stehen viele andere Materialien zur Verfügung, für die das Diffusionsvermögen leicht kontrolliert werden kann. Weitere Beispiele solcher Materialien sind poröses Filterpapier, poröse Nickelfolie, anorganische Partikel plus einem Bindemittel, z. B. T1O2 aufweisender Anstrich, eine gesinterte keramische Platte oder poröse Filze, organisch oder anorganisch.In addition to the two materials mentioned above, there are many other materials available for which the diffusivity can be easily controlled. Other examples of such materials are porous filter paper, porous nickel foil, inorganic particles plus a binder, e.g. B. T1O2 having Paint, a sintered ceramic plate or porous felt, organic or inorganic.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Electrode for metal / oxygen and fuel cells with a layer made of electrochemically catalytic material that reacts with a liquid electrolyte enters, which is made of hydrophobic material on one side Layer is arranged and which is permeable to gases and to liquid electrolytes essentially is impermeable, characterized that on the other side of the hydrophobic layer, a layer is arranged, which consists of a There is material that is necessary for the passage of

Water vapor is less permeable than the hydrophobic layer and that of at least one consists of the following layers: a synthetic plastic material such as porous polytetrafluoroethylene with or without emulsion painting the unplasticized microporous polyvinyl chloride, more porous Metal foil such as nickel foil, porous filter paper, porous felt, inorganic particles with a Binder or from a sintered thin ceramic layer.