DE2132786A1 - Heterogeneous membranes - for fuel cells, contg polytetrafluorethylene powder and ion exchange resin and/or inert pow - Google Patents
Heterogeneous membranes - for fuel cells, contg polytetrafluorethylene powder and ion exchange resin and/or inert powInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung heterogerer Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellu,;r heterogener Membranen für elektrochemische Vorrichtunen, insbesondere Brennstoffelemente, bestehend aus Ionenaustauscherharzen und/oder Inertmaterialien und Bindemitteln, zur Trennung von im Anolyten und Katholyten gelösten Substarza und/oder zum Ausschluß schädlicher Rückwirkungen von im Anolyten oder Katholyten gelösten Substanzen auf den Reaktionsablauf an der Gegenelektrode. Process for making heterogeneous ones. The invention relates to a Process for the production of heterogeneous membranes for electrochemical devices in particular fuel elements, consisting of ion exchange resins and / or inert materials and binders, for the separation of substances dissolved in the anolyte and catholyte and / or to exclude harmful repercussions from in the anolyte or catholyte dissolved substances on the reaction process at the counter electrode.
Bekannt sind im wesentlichen drei Arten von Membranen: 1. homogene Ionenaustauscher-Membranen 2. heterogene Ionenaustauscher-Membranen 3. Membranen aus Inertmaterialien.Essentially three types of membranes are known: 1. homogeneous Ion exchange membranes 2. heterogeneous ion exchange membranes 3. membranes made of inert materials.
Homogene Ionenaustauscher-Membranen werden zumeist durch Polykondensation von Phenolformaldehyd oder Phenol ätherformaldehyd-Harzen, in die ionogene Gruppen eingebaut wurden, gewonnen.Homogeneous ion exchange membranes are mostly made by polycondensation of phenol-formaldehyde or phenol ether-formaldehyde resins, into the ionogenic groups were built in, won.
So wurde beispielsweise in dem DP 971 729 vorgeschlagen, noch flüssige Äther-Formaldehyd-Reaktionsgomische auf e r.ev Glasplatte auszugießen, das Ganze mit einer zweiten Platte abzudecken und die Lösung zwischen den beiden Platten eure.' gleichmäßiges Erhitzen zu einem Gel zu kondensieren. Anders Austauscherharze, wie z.B. sulfonierte Polysterole,die eine relativ gute Beständigkeit haben, sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften für Membranen wegen ihrer Sprödigkeit und geringeren elastischen Eigenschaften nicht geeignet.For example, it was proposed in DP 971 729, still liquid Pour the ether-formaldehyde reaction mixture onto a glass plate, the whole thing cover with a second plate and place the solution between the two plates. ' even heating to condense into a gel. Different exchange resins, like e.g. sulfonated polystyrene, which have a relatively good resistance, are due to their mechanical properties for membranes because of their brittleness and lower elastic properties not suitable.
Trotz der guten Ionenleitfähigkeit und Permselektlvität der homogenen Ionenaustauscher-Membranen ist ihre Anwendung wegen der geringen mechanischen und chemischen Stabilitätjz.3.Despite the good ion conductivity and permselectivity of the homogeneous Ion exchange membranes is because of the low mechanical and application properties chemical stability current 3.
Quellung oder Schrumpfung, beschränkt. Die chemische Stabi;L-tät einer homogenen Ionenaustauscher-Membran kann zwar durch einen höheren Vernetzungsgrad verbessert werden, doch bedingt dies eine zunehmende Versprödung der Momb Im Gegensatz zu den homogenen Ionenaustauscher-Membranes ist die Herstellung heterogener Ionenaustauscher-Membranen und Membranen aus Inertmaterialien aus jedem Geeigneten Ionenaustauscherharz bzw. Inertmaterial möglich, wenn .rgemahlene Ionenaustauscher - bzw. Inertwaterial-Pulver wrc.Swelling or shrinking, limited. The chemical stability; L-ity of a homogeneous ion exchange membrane can through a higher degree of crosslinking be improved, but this causes increasing embrittlement The Momb In contrast to the homogeneous ion exchange membrane is the manufacture heterogeneous ion exchange membranes and membranes made of inert materials from each Suitable ion exchange resin or inert material possible if ground ion exchangers - or inert material powder wrc.
plastische Bindemittel zusammengehalten werden. durch a c-t.-tion des Ionenaustauschers bzw. des Inertmaterials und C e Bindemittels können bei heterogenen Membranen Je nach .nwendungszweck geforderte Eigenschaften weitgehend realis-er werden.plastic binders are held together. by a c-t.-tion the ion exchanger or the inert material and C e binder can be used in heterogeneous Membranes Depending on the intended use, the properties required can be largely achieved will.
So ist aus der US-Patentschrìft 2.660.558 ein Verfahren bekannt, bei dem der Ionenaustauscher mit Polyvenylchlerid (PVC) und anderen plastischen Materialien kalandriert wird.For example, a method is known from US Pat. No. 2,660,558 that of ion exchangers with polyvinyl chloride (PVC) and other plastic materials is calendered.
Aus Z. phys. chem. 8, (1956), 265 ist es weiterhin bekannt.From Z. phys. Chem. 8, (1956), 265 it is still known.
das Bindemittel in einem geeigneten Lösungsmittel aufzulösen, den Ionenaustauscher zu suspendieren, anschließend das Lösungsmittel zu verdampfen und zu einer Membran zu verpressen.to dissolve the binder in a suitable solvent, the Suspend ion exchanger, then evaporate the solvent and to be pressed into a membrane.
Membranen aus Inertmaterialien sollen im wesentlichen eine mlkroporöse Struktur aufweisen, die mit Elektrolyt gefüllt wird. Diese mikroporöse Struktur kann dadurch erzeugt werden, daß chemisch. inerte Pulver oder Fasern, wie z.B. Asbest, Mg 0 usw., mit einem Bindemittel verpreßt werden.Membranes made of inert materials should essentially be microporous Have structure that is filled with electrolyte. This microporous structure can be generated that chemically. inert powders or fibers, such as asbestos, Mg 0, etc., are pressed with a binder.
Selektive IonendurchlSsigkeit und Sperrwirkung lassen sich mit diesen Membranen kaum erreichen. Die Ionnenleitfähigkeit solcher Membranen ist im allgemeinen sehr gut.Selective ion permeability and barrier effect can be achieved with these Hardly reach membranes. The ion conductivity of such membranes is generally very good.
Alle bisher bekannten Verfahren zur Herstellung heterogener Membranen weisen jedoch die Nachteile auf, die sich aus der ungleichmäßigen Verteilung der zur Herstellung der Membranen verwandten Materialien ergeben. Die nach bekannten Ve,-fahren hergestellten Membranen haben häufig eine unterschiedliche Dichteverteilung, unterschiedliche Porosität und/oder Unterschiede im Gehalt an Ionenaustauschern bzw.All previously known processes for the production of heterogeneous membranes however, have the disadvantages resulting from the uneven distribution of the to produce the membranes related materials. The after known The membranes manufactured using methods often have a different density distribution, different porosity and / or differences in the content of ion exchangers respectively.
Blektrolysträgern. damit ergibt sich für die einzelnon Membranen eine unterschiedliche Leitfähigkeit sowie unterschiedliche Gas- bzw. Elektrolytdurchlässigkeit. Außerdem führen diese Inhomogenitäten im Gefüge der Membranen häufig zu örtlich verschiedenen Quelluncren, Hißbildungen und Verwerfungen.Sheet metal supports. this results in a for the individual membranes different conductivity as well as different gas or electrolyte permeability. In addition, these inhomogeneities in the structure of the membranes often lead to localized various sources of swelling, malformations and faults.
Das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt diese achteile.The method according to the invention eliminates these disadvantages.
In den Patentansprüchen ist das erfindungsgemäße Vorfahren, also das Erfindungsprinzlp und dessen Ausgestaltungen, definiert und zwar hinsichtlich der wesentlichen, jeweils orzielbaren technischen Wirkungen ( = technische "Aufgaben' wie auch hinsichtlich der jeweils wesentlichen technischen Mittel ( = der "Lösungen").In the claims is the ancestor according to the invention, that is Invention principle and its configurations, defined with regard to the essential, in each case achievable technical effects (= technical "tasks" as well as with regard to the respective essential technical means (= the "solutions").
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare technische Fortschritt besteht insbesondere darin, daß die bisher auftretenden Inhomogenitäten im Gefüge der Membran weitgehend vermieden werden.The technical progress that can be achieved with the process according to the invention is in particular that the previously occurring inhomogeneities in the structure the membrane can be largely avoided.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Membranen herzustellen, die durch Variation der Ionenaustauscherharze, Inertmaterialien und Bindemittel sowie deren Mischungsverhältnisse, Korngrö.2Raund Schichtdicken, in ihren wesentlichen Eigenschaften wie Ionenleitfähigkeit, mechanischer, chemischer und thermischer Stabilität den speziellen Problemen der elektrochemischen Vorrichtungen optimal angepaßt werden können.The method according to the invention also offers the possibility of Manufacture membranes by varying the ion exchange resins, inert materials and binders as well as their mixing ratios, grain size 2 and layer thicknesses, in their essential properties such as ionic conductivity, mechanical, chemical and thermal stability address the specific problems of electrochemical devices can be optimally adapted.
So kann z.B. in elektrochemischen Vorrichtungen eine besonders gute Trennung von im Anolyten und Katholyten gelösten Substanzen verlangt werden und/oder der Ausschluß einer scradlichen Rückwirkung einer im Anolyten oder Katholyten gelösten Substanz auf den Reaktionsablauf an der Gegenelektrode erforderlich sein. Durch das erfindungsgemaße Verfahren ist es beispielsweise möglich, eine Membran It hohem lonenaustauscherantell und geringem Anteil freier Poren herzustellen, um auf diese 1Jeise die Diffusion fer ,-eli;;ten .'Jubstanzen zu verhindern. Da hier die Ionenleitung quantitativ über den Ionenauztauseher lä@@t, woid solche Membranen im allgemeinen einen relativ hohen Widerstand auf.For example, in electrochemical devices, a particularly good Separation of substances dissolved in the anolyte and catholyte are required and / or the exclusion of a serious reaction of one dissolved in the anolyte or catholyte Substance may be required for the reaction process at the counter electrode. By the inventive method it is possible, for example, a membrane It high Ion exchanger antell and a small proportion of free pores to produce on this 1Jeise to prevent diffusion fer, -eli ;; ten. 'Substances. There the ionic conduction here quantitatively About the ion exchange rate lä @@ t, where such membranes generally have a relative high resistance.
In elektrochemischen Vorrichtungen mit höheren Stromdichten, in denen aber eine geringfügige chemische Abreaktion von Anolyten und Katholyten gelösten Substanzen oder el ge.-~ fügiger Einfluß einer im Anolyten oder Katholyten gelösten Substanz auf den Reaktionsablauf an der Gegenelektrode Kauf genommen werden kann, während der Spannungsabfall an der Membran möglichst gering sein soll, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, zur erzielung einer hohen elektrolytischen Leitfähigkeit eine heterogene Membran herzustellen, die als Elektrolytmatrix einen inerten Träger - wie z.B. Asbest-Pulver - besitzt.In electrochemical devices with higher current densities, in which but a minor chemical reaction of anolyte and dissolved catholyte Substances or el ge.- ~ submissive influence of one dissolved in the anolyte or catholyte Substance can be bought on the reaction process at the counter electrode, while the voltage drop across the membrane should be as low as possible, it is with the method according to the invention possible to achieve a high electrolytic Conductivity to produce a heterogeneous membrane that acts as an electrolyte matrix inert carrier such as asbestos powder.
D-e nachstehenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.The following examples are intended to illustrate the invention.
Beispiel 1 50 g Polytetrafluoräthylen-Pulver der Korngröße < 200 um werden zwecks oberflächlicher Hydrophilierung mit 30 ml einer metallorganischen Natrium-Verbindung (als Ätzmittel) in eln Becherglas gegeben und ca. 1 Minute gerührt. Die Reaktion wird mit 100 ml Aceton gestoppt und weitere 5 Minuten lang gerührt. Anschließend wird das Iolytetrafluoräthylen-Pulve abgesaugt und getrocknet; 5 g dieses oberflächlich hydrepolierte Poßytetrafluorthylen-Pulvers der Korngröße < 200/um und 5 g Asbestpulver der Korngröße < 200µm werden mit 63 ml Paraffinöl 1 Stunde lang in der Kugelmühle homogenlsiert. Anschließend wird die Suspension entgast. 6 ml dieser Suspension werden auf eine 28 cm² große Filternutsche gegeben, mit einem grobmaschigen Polyamidnetz bedeckt und weitere o ml Suspension darübergegeben.Nachdem die Suspension mit Hilfe eines Vibrators gleichmäßig verteilt ist, wird das Paraffinöl mit einer Wasserstrahlpumpe abgesaugt und der verbleibende Filterkuchen mit Petroleumbenzin nachgewaschen. Dieser Filterkuchen wird mit zwei feinmaschigon Polyäthylengeweben bedeckt und bei Zimmertemperatun mit ca. 3,5 to/cm² gepreßt. Danach werden die Polyäthylengewehe entfornt. Eine solchermaßen horgestellte Inertmaterialion-Membran hat einen niedrigen ohmschen ^!idepstand ne findet bevorzugt Verwendung in alkalischen Hydrazin-Wasserstoffperoxid-Hochleistungs-Brennstoffzellen.Example 1 50 g of polytetrafluoroethylene powder with a grain size of <200 to be for the purpose of surface hydrophilization with 30 ml of an organometallic Sodium compound (as an etching agent) is placed in a beaker and stirred for about 1 minute. The reaction is stopped with 100 ml of acetone and stirred for a further 5 minutes. Then the Iolytetrafluoräthylen-Powder is sucked off and dried; 5 g this superficially hydrepolated posytetrafluorothylene powder of grain size < 200 μm and 5 g of asbestos powder with a grain size of <200 μm are mixed with 63 ml of paraffin oil Homogenized for 1 hour in the ball mill. Then the suspension degassed. 6 ml of this suspension are placed on a 28 cm² suction filter, covered with a coarse-meshed polyamide net and another o ml of suspension poured over it the suspension is evenly distributed with the help of a vibrator, the paraffin oil becomes sucked off with a water jet pump and the remaining filter cake washed with petroleum benzine. This filter cake is made with two feinmaschigon Polyethylene fabric covered and pressed at room temperature with approx. 3.5 to / cm². Then the polyethylene threads are deformed. An inert material ion membrane set up in this way has a low ohmic dependence ne is preferably used in alkaline Hydrazine hydrogen peroxide high performance fuel cells.
Beispiel 2 Gemäß dem in Beispiel 1 besehriebenen Verfahren wird aus 5 g de- oberflächlich hydrophilierten Polytetrafluoräthyl'n-Pulvers der Korngröße < 200 µm, 5 g Mg 0 - Pulver der Korngroße < 200µm und unter Verwendung eines oberflächlIch hydrophilierten Polytetrafluoräthylen-Netzes eine Inertrateriallen-Membran hergestellt, die vorzugsweise in solchen Brennstoffzellen eingesetzt werden kann, die - wie z.B. eine NH3-Luft--Zelle - im Mitteltemperaturbereich (100-250°C) mit hochkonzentrierter Alkalilauge bzw. Alkalischmelze arbeiten.Example 2 Following the procedure described in Example 1, from 5 g of the surface-hydrophilized polytetrafluoroethylene powder of the grain size <200 µm, 5 g of Mg 0 powder with a grain size of <200 µm and using a superficial hydrophilized polytetrafluoroethylene network an inertial membrane manufactured, which can preferably be used in such fuel cells, which - like an NH3 air cell - in the medium temperature range (100-250 ° C) with highly concentrated alkali lye or alkali melt work.
Beispiel 3 Eine heterogene Ionenaustauscher-Membran wird nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren in der Weise hergestellt, daß statt der 6 g Asbest-Pulver 5 g Anionenaustauscher-Pulver verwendet werden.Example 3 A heterogeneous ion exchange membrane is according to the in the method described in Example 1 prepared in such a way that instead of the 6 g asbestos powder 5 g anion exchange powder can be used.
Membranen dieser Art können vorzugsweise in solchen alkalischen Brennstoffelementen oder anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden, die bei relativ geringen Stromdichten arbeiten, aber eine Membran besonders hoher Trennfähigkeit gegenüber im .Anolyten und/oder im Katholyten gelösten Reaktanten benötigen.Membranes of this type can preferably be used in such alkaline fuel elements or other electrochemical devices operating at relatively low Current densities work, but compared to a membrane with particularly high separability Require reactants dissolved in the anolyte and / or in the catholyte.
Beispiel 4 Eine weitere heterogene Ionenaustauscher-Membran wird gemäß dom in Beispiel 1 beschrichenen Verfahren in der Weise hergestellt, daß 2,5 g Aniononaustauscher-Pulver der Konngrößo < 200 µm und 2,5 g Asbest-Eulver der Korngröße < 200 µ statt der 5 g Asbest-Pulver verwendet werden.Example 4 Another heterogeneous ion exchange membrane is according to dom Process described in Example 1 in such a way that 2.5 g of anion exchanger powder the size of <200 µm and 2.5 g of asbestos powder with a grain size of <200 µm of 5 g of asbestos powder are used.
Diese Mombran kann vorzugsweise in solchen alkalischen Niedertemperatur-Brennstoffelementen oder anderen elektrochem.This Mombran can preferably be used in such low-temperature alkaline fuel elements or other electrochem.
schen Vorrichtungen eingesetzt werden, die bei mittleren Stromdichten (50 - 100 mA/cm²) arbeiten und eine Membran benötigen, die bei noch brauchbarer Trennfähigkeit gegen über In Anolyten und/oder im Katholyten gelösten Substanzen gleichzeitig auch eine noch relativ gute Ionen-Leitfähigkeit besitzt.rule devices are used, which at medium current densities (50 - 100 mA / cm²) work and need a membrane that is even more useful Separability from substances dissolved in the anolyte and / or in the catholyte at the same time also has a relatively good ion conductivity.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712132786 DE2132786A1 (en) | 1971-07-01 | 1971-07-01 | Heterogeneous membranes - for fuel cells, contg polytetrafluorethylene powder and ion exchange resin and/or inert pow |
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DE19712132786 DE2132786A1 (en) | 1971-07-01 | 1971-07-01 | Heterogeneous membranes - for fuel cells, contg polytetrafluorethylene powder and ion exchange resin and/or inert pow |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE2132786A1 true DE2132786A1 (en) | 1973-01-11 |
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DE19712132786 Pending DE2132786A1 (en) | 1971-07-01 | 1971-07-01 | Heterogeneous membranes - for fuel cells, contg polytetrafluorethylene powder and ion exchange resin and/or inert pow |
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DE (1) | DE2132786A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2927566A1 (en) * | 1979-07-07 | 1981-01-08 | Kernforschungsanlage Juelich | DIAPHRAGMA FOR ALKALINE WATER ELECTROLYSIS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND THE USE THEREOF |
-
1971
- 1971-07-01 DE DE19712132786 patent/DE2132786A1/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2927566A1 (en) * | 1979-07-07 | 1981-01-08 | Kernforschungsanlage Juelich | DIAPHRAGMA FOR ALKALINE WATER ELECTROLYSIS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND THE USE THEREOF |
US4394244A (en) | 1979-07-07 | 1983-07-19 | Kernforschungsanlage Julich Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung | Diaphragms for alkaline water electrolysis and method for production of the same as well as utilization thereof |
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