DE2023868A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Katalysatorschichten für Elektroden in elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffelementen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Katalysatorschichten für Elektroden in elektrochemischen Zellen, insbesondere BrennstoffelementenInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Katalysatorschichten für Elektroden in elektrochemischen
Zellen, insbesondere Brennstoffelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung-von
Katalysatorschichten für Elektroden in elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffelementen, durch Abscheidung von Katalysatorpulver
auf einer Unterlage unter dem Einfluß der Schwerkraft sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
An die Katalysatorschichten von Elektroden für Brennstoffelemente werden hinsichtlich einer gleichmäßigen Verteilung der Katalysatorkörner zur Erzielung einer homogenen Porenstruktur hohe
Anforderungen gestellt.
Gemäß der US-Patentschrift Nr. 3 226 263 wird eine gleichmäßige Porenstruktur dadurch erreicht, daß Katalysatorpulver eines
vorgegebenen Korngrößenbereiches durch Sedimentation in einer Flüssigkeit, z.B. Wasser oder Glykol, auf einer festen Unterlage
abgeschieden wird. Der Grund liegt in einer verhältnismäßig langsamen Aufschichtung der einzelnen Katalysatorkörner, wodurch
die Bildung von Hohlräumen und Agglomeraten weitgehend unterbunden
wird. Daneben tritt infolge der unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeit verschieden schwerer Teilchen eine Fraktionierung
des Katalysatorpulvers nach der Korngröße ein und zwar derart, daß die gröberen Teilchen sich auf der Unterlage absetzen und
die feinen Teilchen dann darauf abgeschieden werden. Auf diese Y/eise können Katalysatorschichten hergestellt werden, deren
Porengröße sich von einer Schichtoberfläche zu anderen gleichförmig verändert.
Bei der geschilderten Art der Sedimentation machen sich jedoch einige Nachteile bemerkbar, die eine technische Anwendung
schwierig erscheinen lassen.
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In Elektroden mit pulverförmiger! Katalysator grenzt die feinkörnige
Schicht, d.h. die aktivste Schicht, an das Asbestdiaphragma,
das elektrolytseitig in die Zelle eingebaut wird. Die grobkörnige Schicht, die sich auf der Gasseite befindet, wird
von einem feinmaschigen Netz begrenzt, das als Gasverteiler und Stromabnehmer dient. Bin derartiges Mets müßte nun bei der
Sedimentation als Unterlage dienen, wenn nicht die gesamte Katalysatorschicht bei Sedimentation auf eine andere Unterlage
nach der Abscheidung des Katalysatorpulvers aus der Apparatur herausgenommen und umgedreht werden soll, wobei die erzielte
Gleichmäßigkeit der Katalysatorschicht sehr leicht wieder gestört werden kann. Bei Verwendung des feinen netzes als Unterlage
ergibt sich wiederum der Nachteil, daß sich das Netz leicht
wirft oder krümmt, was eine Ablösung des Katalysatorpulvers zur Folge hat. Störend wirkt sich weiterhin aus, daß das Verfahren
sehr zeitraubend und für eine maschinelle fertigung ungeeignet ist. Außerdem kann es für bestimmte Anwendungszwecke auch" .
wünschenswert sein, in Katalysatorschlclrfcen für Elektroden eine
gleichmäßige Porenstruktur ohne Sedimentationseffekt zu erreichen.
Auch zu diesem Zweck ist das bekannte Verfahren nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung von Katalysatorschichten durch Abscheidung von Katalysatorpulver auf einer Unterlage unter dem Einfluß der
Schwerkraft so auszugestalten, daß die geschilderten Nachteile. vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Katalysatorpulver
in annähernd paralleler Richtung zu der in Bewegung befindlichen Unterlage beschleunigt wird.
Die Beschleunigung, die dem Katalysatorpulver erteilt wird,
bewirkt, daß es in einem hohen Ausmaß gleichmäßig verteilt wird. Zusammenballungen werden vermieden und Agglomerate, werden zerstört.
Scheidet sich das derart homogenisierte Katalysatorpulver auf der Unterlage ab, so entsteht ©ine Katalysatorschiehts, mit
der sich Elektroden herstellen lassenj mit denen man sehr gute
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elektrische Werte erzielt. Der Grund ist darin zu sehen, daß
durch die Bewegung der Unterlage an allen Punkten der Katalysator sohl cht eine gleichmäßig dünne Verteilung des Katalysatorpulvers
erfolgt. Darüber hinaus wird durch die an jedem Flächenort herrschenden gleichen Bedingungen bei der Abscheidung des
Katalysatorpulvers eine Katalysatorschicat erhalten,, die an jeder Stelle eine gleichmäßige Verteilung der in gewissen Grenzen
variierenden Körnungen des Katalysatorpulvers und damit einen einheitlichen Aufbau bezüglich der Porenstruktur aufweist.
Vorteilhafte Yiirkungen des Verfahrens bestehen außerdem darin,
daß entsprechend gleichmäßige Katalysatorschichten auch dann erhalten werden, wenn dem Katalysatorpulver Bindemittel aus
Kunststoff, z.B. Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen oder Poly- t
glykol, zugesetzt werden. Ebenso können dem Katalysatorpulver Filier beigemischt werden, beispielsweise pulverisierte, lösliche
Salze, wie Kaliumcarbonat und Kaliumoxalat. Diese Porenfiller können auch in den Katalysatorpulver-Teilchen selbst
enthalten sein, d.h. es kann imprägniertes Katalysatorpulver verwendet werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das
Katalysatorpulver mit Lösungen dieser Salze behandelt und anschließend getrocknet wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Katalysatorschichten besteht darin, daß man Katalysatorpulver
unterschiedlicher Korngröße verwendet und dieses zusätzlich a
mittels eines Gasstromes auffächert. Dies kann vorteilhaft in der Weise erfolgen, daß man das beschleunigte Katalysatorpulver
durch eine Düse mit luft anbläst oder daß man das Katalysatorpulver
mittels Luft durch eine Düse ausbläst, wobei Beschleunigung und Auffächerung zusammen erfolgen.
Durch die Beschleunigung verbunden mit einer zusätzlichen Auffäeherung
des Katalysatorpulvers unterschiedlicher Korngröße wird ein Sedimentationseffekt erzielt. Dies ist so zu verstehen,
daß durch die Einwirkung des Gasstromes die verschieden großen und schweren Partikel des Katalysatorpulvers unterschiedlich weit
getragen werden und daraus durch Einwirkung der Schwerkraft unterschiedliche Flugbahnen resultieren. Da außerdem die Unterlage
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bewegt wird, entstehen bei der Abscheidung des Katalysatorpulvers innerhalb der Katalysatorschicht Schichtungen mit ver·-
Bchiedenen Körnungen. Dies wiederum bedeutet, daß man neben der.
gleichmäßigen Verteilung des Katalysatorpulvers über eine größere Fläche, die durch die Beschleunigung des Materials bewirkt
wird, in der Schicht eine Verteilung in der Weise erreicht, daß die Korngröße der Katalysatorkörner stetig ab- bzw. zunimmt.
Mit dieser Staffelung des Katalysatorpulvers nach der Korngröße wird eine Porenstruktur erzielt, bei der sich die Porengröße
zwischen den beiden Oberflächen der Schicht gleichmäßig verändert, d.h. die Poren sich· entweder verjüngen oder verbreitern.
Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, daß man zur Abscheidung des Katalysatorpulvers eine in Bewegung befindliche Unterlage verwendet.
Sind Beschleunigungsrichtung des Katalysatorpulvers und Bewegungsrichtung der Unterlage gleich gerichtet, so werden auf
der Unterlage zunächst die Partikel mit den größten Körnungen sedimentiert und darauf die feineren Teilchen. Erfolgt jedoch ■
die Beschleunigung des Katalysatorpulvers entgegen der Bewegungsrichtung der Unterlage, so findet eine umgekehrte Staffelung
statt» die Katalysatorteilchen mit grober Körnung kommen auf die Teilchen mit kleinerer Korngröße zu liegen. Dadurch ist es möglich,
das Katalysatorpulver unmittelbar auf zur Herstellung der Elektroden verwendeten Diaphragmen abzuscheiden oder direkt in
Zellrahmen« Zu diesem Zweck kann die Unterlage, die vorteilhaft als Trägerband ausgebildet ist, ein Transportband sein, auf dem
die zur Aufnahme des Katalysatorpulvers verwendeten plattenförmigen Teile angeordnet sind, die in ihren Ausmaßen der
Elektrodengröße entsprechen und die als Zellrahmen ausgebildet sein können. Die verwendeten Diaphragmen können zur Erzielung
einer guten Haftung gegebenenfalls angefeuchtet sein.
Durch Schablonen können die Teile der Unterlage, die nicht
beschichtet werden sollen, abgedeckt werden. Dies kann auch in der Weise geschehen, daß man eine endlose Folie zum Abdecken
verwendet, in die die Schablonen eingearbeitet sind.
Die beschichteten plattenförmigen Teile können aufeinandergestapelt
und in geeigneter Weise einem Preßvorgang unterworfen
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werden. Ist die Unterlage als Trägerband ausgebildet, so kann
dieses nach der Beschichtung mit dem Katalysatorpulver zur Nachverfestigung
der Katalysatoröchicht durch die Walzen eines ·
Kalanders geführt werden. Gegebenenfalls kann dabei gleichzeitig
ein Kontaktierungsnetz in die Katalysatorschicht eingearbeitet
werden. Anschließend können die Elektroden ausgestanzt und in
die Zellrahmen eingebaut werden.
Der Preßvorgang ist vor allem dann vorteilhaft, wenn dem Katalysatorpulver
Bindemittel zugesetzt worden ist oder wenn neben dem
Katalysatorpulver mit einer zusätzlichen Düse Bindemittel auf die Unterlage aufgebracht worden ist. Diese zusätzliche Düse kann
auch zum Aufbringen von Filier Verwendung finden.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich gemäß weiterer Erfindung vorzugsweise eine Vorrichtung, bei der ein endloses,
bewegbares Trägerband und oberhalb dieses Trägerbandes Aufgabe-, Transport- und Beschleunigungsmittel für das abzuscheidende
Material vorgesehen sind.
Die Beschleunigung des Katalysatorpulvers kann mit einer mechanisch
bewegten Vorrichtung erfolgen. Vorteilhaft verwendet man dazu eine rotierende Bürste. Erfolgt die Beschleunigung mit einer Düse,
so wird diese quer zur Bewegungsrichtung der Unterlage bewegt.
Durch die Kombination von Beschleunigung und Ablagerung von
Katalysatorpulver entstehen Katalysatorschichten, die wichtige Strukturmerkmale aufweisen. Die gleichmäßige Verteilung des
Katalysatormaterials über eine große Fläche ermöglicht es,
Elektroden anzufertigen, die sehr gute elektrische Eigenschaften
aufweisen. Die zusätzliche Auffächerung vor der Abscheidung auf der beweglichen Unterlage gestattet es, bei Verwendung von
Katalysatormaterial unterschiedlicher Korngröße Katalysatorschichten
herzustellen, die neben der homogenen Beschaffenheit zusätzlich eine Staffelung der Körnungen aufweisen, die gleichbedeutend
ist mit einer kontinuierlichen Zu- bzw. Abnahme der Porengröße quer zu den Beschichtungsstufen. Weitere Vorteile
ergeben sich dadurch, daß die Herstellung der Katalysatorschichten wenig Zeit beansprucht und das Verfahren sich gut zur
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maschinellen und serienmäßigen Fertigung eignet.
Anhand mehrerer schematischer Figuren sollen das erfindungsgemäße
Verfahren und Vorrichtungen zu dessen Durchführung naher erläutert
werden.
Es zeigen
Es zeigen
Fig. 1 bis Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen von Vorrichtungen
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3a einen Querschnitt durch ein Einzelteil der Vorrichtung nach Fig. 3,
Fig. 4 das Pressen der plattenförmigen Teile, Fig. 5 und 6 Teile von weiteren Vorrichtungen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 7 eine Ausfuhrungsform einer Vorrichtung zur Herstellung
mehrschichtiger Elektroden und
Fig. 8 den zeitlichen Verlauf des Potentials an zwei Elektroden.
Fig. 8 den zeitlichen Verlauf des Potentials an zwei Elektroden.
In Fig. 1 ist das Gehäuse der Vorrichtung mit 1 bezeichnet. Das
Beschleunigungsmittel besteht aus einer schnell rotierenden Bürste 2, die auf einer als Transportmittel dienenden Walze 3
angeordnet ist, deren Durchmesser groß ist im Vergleich zum Durchmesser der Bürste 2. Bürste 2 und Walze 3 bewegen sich
gegeneinander. Das Aufgabemittel 4 ist ein von ebenen Flächen begrenzter Behälter, der sich zur Walze 3 hin verjüngt und an
seinem verjüngten unteren Ende mit einem Spalt versehen ist, dessen länge etwa der Länge (in axialer Richtung) der Bürste 2
entspricht. Im Aufgabemittel 4 befindet sich das Katalysatorpulver
5, z.B. ein gut rieselndes Pulver, wie Eaney-Siiher. Mit
dem Pfeil 6 ist die Beschleunigungsrichtung angedeutet. 7 stellt eine Trennwand dar. Mehrere solcher Trennwände sind parallel
zueinander angeordnet. Sie begrenzen zumindest einen Teil der Flugstrecke des Katalysatorpulvers und haben die Aufgabe, Wirbel
quer zur Beschieunigungsrichtung zu unterdrücken. 8 ist eine
Düse, mit der zusätzlich zum Katalysatorpulver Filier und/oder Bindemittel auf das als Unterlage 9 dienende Trägerband aufgebracht werden kann."Mit dem Pfeil 10 ist die Bewegungsrichtung
der Unterlage angedeutet. 11 zeigt stark vergrößert die- durch Beschleunigung und Abscheidung entstandene gleichmäßige Katalyaatorschicht.
12 ist eine Trocknungsvorrichtung, beispielsweise
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ein Infrarotstrahler. Eine Trocknung ist vor allem, dann zweckmäßig,
wenn feuchte Materialien verwendet werden. Zur Trocknung kann gegebenenfalls auch eine Tunnelofenstrecke nachgeschaltet
werden. 13 sind die Walzen eines Kalanders, durch die die beschichtete
Unterlage geführt werden kann, um eine Nachverfestigung
der Katalysatorschicht zu erreichen. Dabei kann nötigenfalls zusätzlich ein Kontaktierungsnetz mit eingezogen werden.
Anschließend werden die Elektroden ausgestanzt und in die Zellrahmen
eingebaut.
In Fig. 2 stellt 21 eine Düse dar, durch die das Katalysatorpulver
unterschiedlicher Körnung mit Hilfe eines Gasstromes
gleichzeitig beschleunigt und aufgefächert wird. Zweckmäßigerweise
verwendet man dazu luft. Die Düse weist eine geeignete öffnung, z.B. mit ringförmigem Querschnitt auf. Sie wird quer (
zur Bewegungsrichtung der Unterlage 22 bewegt. Durch einen geeigneten
Mechanismus wird dafür gesorgt, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse, die schnell ist im Vergleich zur
Geschwindigkeit der Unterlage, über die gesamte Breite der Unterlage konstant ist. 22 ist das Trägerband, das über die Rollen
geführt wird. Die Bewegungsrichtung 24 des Trägerbandes iat der Beschleunigungsrichtung 25 des Katalysatorpulvers entgegengerichtet,
so daß die feinen Katalysatorpulver-Teilohen 26 zuerst abgeschieden werden. Darauf werden dann die Teilchen 27 mit
mittlerer Korngröße und die groben Teilchen 28 sedimentiert. Bei
zur Beschleunigungsrichtung gleich gerichteter Bewegungsrichtung
des Bandes 22 erhält nan eine umgekehrte Staffelung der Katalysatorpulver-Teilchen. "
Bei der Vorrichtung nach Pig. 3 ist ein aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren bestehendes Beschleunigungsmittel vorgesehen,
das das Katalysatorpulver gleichzeitig beschleunigt und auffächert. Mit 31 ist ein äußeres starres Rohr, mit 32 ein inneres rotierendes
Rohr bezeichnet. Das Katalysatorpulver wird dem inneren Rohr
32 axial mittels Luft zugeführt. Durch die Öffnung 33 tritt das Katalysatorpulver aus dem Beschleunigungsmittel aus. Mit 34 ist
das Transportband bezeichnet, dessen Bewegungsrichtung der Besrnleunigungsrichtung des Katalysatorpulvers entgegengesetzt
is+. Mit 35 sind die plattenförmigen Teile oder Zellrahmen be-
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zeichnet, auf bzw. in die das Katalysatorpulver abgeschieden
wird. Mit a, b und c ist die Verteilung der iCatalysatorpulver-Teilchen
mit feiner, mittlerer und grober Körnung angedeutet. Mit 36 sind die Schablonen angedeutet, die in eine Folie 37
eingearbeitet sind, die als endloses Band ausgebildet sein kann. Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit von Folienband und Transportband
sind gleich. Durch Umlenken des endlosen Folienbandes wird das darauf befindliche Katalysatorpulver in ein Torratsgefäß
gekippt.
In Fig. 3a ist das aus zwei konzentrisehen Rohren bestehende
Beschleunigungsinittel im Schnitt dargestellt. Das äußere starre
Rohr 31 weist einen schmalen, geraden Spalt 38 auf» der fast über die gesamte länge des Rohres reicht. Das innere rotierende
Rohr 32 besitzt einen oder mehrere spiralig angeordnete Spalte
39· Durch die schnelle Drehung des inneren Rohres wird die öffnung 33 dauernd verschoben. Bin Verstopfen des Spaltes 38
wird durch diese Anordnung vermieden, Die Rotationsgeschwindigkeit des inneren Rohres muß hinreichend groß sein im Vergleich
zur Geschwindigkeit der Unterlage.
Die mit Katalysatorpulver 42 beschichteten plattenförmigen Teile 35» die in ihren Ausmaßen der Elektrodengröße entsprechen, werden
vom Transportband 34 abgenommen, übereinandergestapelt und - wie in Fig. 4 dargestellt - mit einer geeigneten Vorrichtung 41
gepreßt.
In Fig. 5 ist das Beschleunigungsmittel als rotierende Bürste 51
ausgebildet. Das Transportmittel 1st ein Förderband 52, das das Katalysatorpulver langsam gegen die rotierende Bürste transportiert.
Das beschleunigte Katalysatorpulver wird durch die Düse 53 mit einem Gasstrom angeblasen und aufgefächert. Zweckmäßigerweise
wird dazu Luft verwendet. Das zum Aufbringen des Katalysatorpulvers verwendete Aufgabemittel besteht aus einem Vorratsgefäß
54 und einer mit Nocken versehenen Förderwalze 55. Die Förderwalze stößt dabei mit ihren Nocken ständig gegen eine bewegliche
Wand 56, wodurch das Katalysatorpulver gerüttelt wird und dadurch besser auf das Förderband aufgebracht werden kann. Eine
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Gleichverteilerschnecke 57 ebnet das au.fgeiDrach.te Katalysatorpulver
nach. Dies erfolgt zweckmäßigerweise dann, wenn Katalysatorpulver verwendet wird, dem Bindemittel "beigemischt ist,
Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der Aufgabe-, Transport- und Beschleunigungsmittel, d.h. im vorliegenden speziellen fall daa
Vorratsgefäß 65, die Oberseite des Förderbandes 66 und die rotierende Bürste 67, in einem unter Gasdruck stehenden Behälter
61 untergebracht sind. Das Katalysatorpulver wird dabei über eine Druckschleuse 62 in das Vorratsgefäß 65 eingebracht. Das Förderband
66 ist durch Gummi- oder Polytetrafluoräthylenschichten 63 gegen das Gehäuse 61 abgedichtet. Katalysatorpulver und Gas,
zweokmäßigerweise luft, treten durch einen als Düse wirkenden
Spalt 64 in der Gehäusewand zwischen Bürste 67 und Förderband 66, |
d.h. zwischen Transport- und Beschleunigungsmittel, aus.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 7 ist durch die Anordnung zweier
Beschleunigungsmittel die Herstellung einer Doppelschichtelektrode
möglich. Im vorliegenden speziellen Fall finden als Beschleunigungsmittel
zwei Düsen 71 und 72 Verwendung. Dadurch wird gleichzeitig eine Beschleunigung und Auffächerung des Katalysatorpulvers
erreicht und man erhält bei" Verwendung von Katalysatorpulver
unterschiedlicher Korngröße Katalysatorschichten» die sowohl eine homogene Beschaffenheit als auch eine Staffelung der Körnungen
aufweisen. Mit Düse 71 wird eine Katalysatorschicht 74 erzeugt}
dabei ist die Beschleunigungsrichtung des Katalysatorpulvers der Bewegungsrichtung des Trägerbandes 73 entgegengeriohtet. Die |
Beschleunigung des Katalysatorpulvers durch Düse 72 erfolgt in der Bewegungsrichtung des Trägerbandes 73. Dadurch wird eine
Katalysatorschicht 75 erzeugt, deren Staffelung der Körnungen
spiegelbildlich ist zur Staffelung der Katalysatorschicht 74. Durch eine geeignete Vorrichtung, z.B. eine Rolle 76» wird
zwischen die beiden Katalysatorschichten 74 und 75 ein Netz 77 oder ähnliches eingelegt. Dadurch wird ein Hohlraum geschaffen,
der beispielsweise als Gasraum einer Doppelschichtelektrode dienen kann. Durch die Anordnung mehrerer Beschleunigungsmittel
können auch mehrschichtige Elektroden gefertigt werden, die in den einzelnen Katalysatorschichten homogene Struktur aufweisen.
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Dabei kann durch die einzelnen Beschleunigungsmittel im Material
unterschiedliches Katalysatorpulver auf das Trägerband aufgebracht werden. Bei der Verwendung von Katalysatorpulvern unterschiedlicher
Körnungen kann darüber hinaus bei Anwendung von Düsen als Beschleunigungsmittel - abhängig von der Beschleunigungsrichtung
der Katalysatorpulver (bezüglich der Bewegungsrichtung des Trägerbandes) - eine verschiedene Staffelung der
Körnungen in den einzelnen Katalysatorschichten erreicht werden.
Fig. 8 zeigt den zeitlichen Verlauf des Potentials zweier Elektroden A und B. Auf der Ordinate ist das Potential -v in mV
aufgetragen, auf der Abszisse die Zeit t in Std» In der Elektrode A wurde eine Katalysatorschicht verwendet, die
erfindungsgemäß hergestellt worden war und eine homogene Struktur aufwies. Im einzelnen war dazu das Katalysatorpulver mit einer
Bürste beschleunigt, auf plattenförmigen Seilen abgeschieden und einem Preßvorgang unterworfen worden. Der Prsßdruck betrug etwa
10 kg/cm . Zur Darstellung der Elektrode B war das Katalysatorpulver auf eine Unterlage gestreut und mit einer Walze per Hand
ρ gewalzt worden. Beide Elektroden waren■etwa 290 cm groß und etwa
0,8 mm dick. Sie wiesen eine Belegung von etwa 200 mg Material/
cm auf. Als Katalysatorpulver wurde Raney-lickel mit einer
Korngröße ^- 40 Ai ver?/endet, es enthielt jeweils etwa 4,5 $
Polytetrafluoräthylen als Binder.
Die Spannung ν der Elektroden gegen ein Hg/HgO-Normalelement
wurde bei einer Belastung von 80 mA/cm ermittelt. Als Elektrolytflüssigkeit
wurde 6 η KOH bei 600O verwendet. Der Wasserstoffdruck
betrug 1,46 Atm.
Es ergibt sich, daß Elektrode A zu Beginn eine um etwa 50 mV höhere Spannung liefert als Elektrode B, nach einer Betriebszeit von 500 Stunden ist die Spannung von A noch etwa 30 mV
höher. Das bedeutet, daß man mit Elektrode A eine höhere Zellspannung erzielt als mit Elektrode B und zwar über die gesamte
Versuchsdauer von mehr als 1000 Stunden» Gerade bei einer Wasserstoffelektrode ist diese Verbesserung
von ausschlaggebender Bedeutung. Denn hier muß die Elektrode bei einem Potential über dem kritischen Potential betrieben
werden, das bei üblichen Nickelelektroden bei etwa -780 mV gegen
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Hg/HgO liegt. Bei diesem kritischen Potential erfolgt durch eine irreversible Oxidation eine Zerstörung der Elektrode. Der
Verlauf der Kennlinie für Elektrode A zeigt, daß sie über einen sehr großen Zeitraum hinweg über diesem kritischen Potential
mit großen Stromdichten betrieben werden kann.
Das Versuchsergebnis beweist, daß sich mit der erfindungsgemäß
hergestellten Elektrode elektrische Werte erzielen lassen, die für den Bau von Brennstoffelementen interessant sind. Der Grund
für die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften liegt in der geschilderten gleichmäßigen Verteilung des Katalysatorpulvers in
der Katalysatorschicht, was auch aus Schliffbildern entnommen
werden kann.
Außer in Brennstoffelementen können die erfindungsgemäß hergestellten
Elektroden auch in anderen elektrochemischen Zellen, beispielsweise in Elektrolyseuren, Anwendung finden.
32 Patentansprüche
8 Figuren
8 Figuren
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Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Katalysatorschiehten für
Elektroden in elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffelementen,
durch Abscheidung von Katalysatorpulver auf einer Unterlage unter dem Einfluß der Schwerkraftι dadurch gekennzeichnet,
daß das Katalysatorpulver in annähernd paralleler Richtung zu der in Bewegung befindlichen Unterlage (9) beschleunigt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiöhnet, daß dem
Katalysatorpulver ein Bindemittel aus Kunststoff beigemischt ist.
fc 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Katalysatorpulver ein Filier beigemischt ist»
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Filier in den Katalysatorpulver-Teilchen enthalten ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Katalysatorpulver unterschiedlicher Korngröße verwendet wird und dieses durch einen Gasstrom aufgefächert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorpulver durch eine Düse (53) mit Gas angeblasen wird.
W
7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß
Beschleunigung und Auffächerung des Katalysatorpulvere zusammen vorgenommen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorpulver mit Hilfe eines Gases aus einer Düse (21) ausgeblasen
wird«
9* Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Katalyeatorpulver durch Luft angeblasen bzw. ausgeblasen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
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ORIGINAL SMSPSCTED
die das Katalysatorpulver ausblasende Düse (21) quer zur Bewe~
gungsrichtung (24) der Unterlage (22) bewegt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß mit einer zusätzlichen Düse (8) Pillar und/oder Bindemittel auf die Unterlage (9) aufgebracht
werden. '
12. Verfahren nach einem oder> mehreren der.Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Katalysatorpulvers in der Bewegungsrichtung der Unterlage erfolgt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, *
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Katalysatorpulvers entgegen der Bewegungsrichtung der Unterlage erfolgt.
H. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage ein Trägerband (9)
verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das
Trägerband (9) samt abgeschiedenem Katalysatorpulver (.11) durch einen Kalander (13) geführt wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage auf einem Transport- . | band (34·) angeordnete, in ihren Ausmaßen der Elektrodengröße
entsprechende plattenförmige Teile (35) verwendet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
plattenförmigen Teile (35) als Zellrahmen für Elektroden ausgebildet sind.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Teile (35) mit Schablonen (36) abgedeckt
werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schablonen (36) in eine Folie (37) eingearbeitet sind, die als
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ORlGSWAL INSPECTED
endloses Band ausgebildet ist.
20. Verfahren nach, einem oder mehreren der Ansprüche 16 "bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Teile (35) samt. abgeschiedenem Katalysatorpulver (42) übereinandergeschichtet
und einem Preßvorgang unterworfen werden«
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche H bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein endloses, bewegbares Trägerband und oberhalb dieses Trägerbandes Aufgabe
Transport- und Beschleunigungsmittel für das abzuscheidende
Material vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch .gekennzeichnet, daß zur
Beschleunigung- des Katalysatorpulvers eine mechanisch bewegt©
Vorrichtung vorgesehen ist*
23· Vorrichtung nach Ansprach 22, dadurch gekennzeichnet, daß säur
Beschleunigung des Katalysatorpulvers ein© rotierende Bürste (51) vorgesehen ist. ,
24·. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23» dadurch gekennzeichnet»
daß das Beschleunigungsmittel und das Aufgabemittel (4) für das Katalysatorpulver oberhalb einer als Transportmittel
dienenden Walze (3) angebracht sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet,
daß sum Transport des Katalysatorpulvers vom Aufgabemittel (54) zum Beschleunigungsmittel (51) ein !Förderband (52) vorgesehen
ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Aufgabe- und Beschleunigungsmittel eine G-leichverteilerschnecke
(57) zur Nachebnung des Katalysatorpulvers vorgesehen ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß Aufgabe-, Transport- und Beschleunigungsmittel
in einem unter Gasdruck stehenden Behälter (61) unterge-
109848/iaS6
ORIGINAL IMSPEGTED
bracht sind und daß zwischen Transport- Und Beschleunigungsmittel ein als Düse wirkender Spalt (64) vorgesehen ist,
28. Vorrichtung nach. Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
das Beschleunigungsmittel aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren besteht, von ienen das äußere starre Rohr (31) einen
schmalen, geraden Spelt (38) und das innere rotierende Rohr (32) einen oder mehrere epiralig angeordnete Spalte (39) aufweist»
29. Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Plugstrecke des
Katalysatorpulvers mit zueinander parallel angeordneten Trennwänden (7) versehen ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29» dadurch
gekennzeichnet, daß oberhalb der Unterlage (9) eine Trocknungsvorrichtung (12)vorgesehen ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Herstellung mehrschichtiger Elektroden mindestens zwei Beschleunigungsmittel (71, 72) vorgesehen sind. .
32. Vorrichtung nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzliche Vorrichtungen (76) zum Einlegen von Netzen (77)
zwischen die einzelnen Beschichtungsstufen (74, 75) vorgesehen
sind.
1098 48/1866
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