DE2243211C3

DE2243211C3 - Polymer-bonded thin-film electrode for fuel cells

Info

Publication number: DE2243211C3
Application number: DE19722243211
Authority: DE
Inventors: Harald Dr.phil.nat 6241 Glashütten; Louis Gerhard 6238 Hofheim Böhm
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Filing date: 1972-09-01
Publication date: 1976-12-30

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine polymergebundene Dünnschicht-Elektrode für Brennstoffzellen mit einer angesinterten inaktiven Deckschicht auf der Elektrolytseite der Elektrode, die einer weiteren Elektrode gegenüberstehtThe invention relates to a polymer-bound Thin-film electrode for fuel cells with a sintered-on inactive cover layer on the electrolyte side the electrode facing another electrode

Polymergebundene poröse Elektroden aus Metallpulvern und/oder katalytisch aktiven, elektrisch leitfähigen Pulvern, wie z. B. Kohle oder Wolframkarbid, sind bekannt (DT-OS 15 71 750).Polymer-bonded porous electrodes made of metal powders and / or catalytically active, electrically conductive Powders such as B. coal or tungsten carbide are known (DT-OS 15 71 750).

Solche Festelektroden haben in der Regel eine dem Elektrolyten zugewandte elektrisch leitfähige Oberfläche, so daß in den aus solchen Elektroden gebildeten Zellen dafür zu sorgen ist, daß die Anode nicht mit der Kathode in Berührung kommt, da sonst ein elektronischer Verluststrom auftritt. So sind beispielsweise in Akkumulatoren die verschiedensten Scheiderelemente gebräuchlich.Such fixed electrodes usually have an electrically conductive surface facing the electrolyte, so that in the cells formed from such electrodes care must be taken that the anode does not interfere with the Comes into contact with the cathode, otherwise an electronic leakage current occurs. For example, in Accumulators the most diverse separator elements in use.

In Brennstoffzellen, in denen zur Wärmeregulierung eine Elektrolytumwälzung in der Zelle e^rfolgen muß, können von den Akkumulatorenscheidern praktisch nur durchbrochene Wellscheider verwendet werden, da bei anderen Scheiderformen der Strömungswiderstand des Elektrolyten zu hoch ist.In fuel cells, in which electrolyte circulation in the cell e ^{r has to} follow for heat regulation, only perforated corrugated separators can practically be used of the accumulator separators, since the flow resistance of the electrolyte is too high in other separator forms.

Nachteilig ist jedoch auch bei Verwendung der Wellscheider in Brennstoffzellen deren relativ zur Zellenstärke große Ausdehnung und das dadurch bedingte große Elektrolytvolumen und Gewicht.However, when the corrugated separators are used in fuel cells, their large expansion relative to the cell thickness and the resultant disadvantage is also disadvantageous large electrolyte volume and weight.

Bei aus losem Katalysatorpulver bestehenden Brennstoffzellenelektroden ist es bereits bekannt, die Pulverschicht gegen eine feinporige Deckschicht, z. B. Asbestpapier, zu drücken und damit einzufassen (DT-OS 19 30 035). Diese Deckschicht saugt den Elektrolyten auf und ein freier Raum für eine Elektrolytströmung, wie sie für eine Kühlung erwünscht ist, fehlt vollständig.For fuel cell electrodes made from loose catalyst powder it is already known to apply the powder layer against a fine-pored top layer, e.g. B. asbestos paper, to press and thus set (DT-OS 19 30 035). This top layer soaks up the electrolyte and a free space for an electrolyte flow, as is desired for cooling, is completely absent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festelektrode zu schaffen, durch deren Ausgestaltung ein sehr enger und dennoch zur Durchströmung geeigneter Elektrolytraum zwischen den Elektroden einer Zelle erzielt wird und ein gesondertes Scheiderelement entbehrlich ist.The invention is based on the object of creating a fixed electrode, by means of its configuration very narrow and yet suitable electrolyte space between the electrodes of a cell is achieved and a separate separator element is unnecessary.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die plane, elektrolytseitige Oberfläche der Elektrode poröse, elektrisch isolierende Streifen mit Abstand angesintert sind.According to the invention, this object is achieved in that the planar, electrolyte-side surface of the Electrode porous, electrically insulating strips are sintered at a distance.

Durch die CH-PS 4 55 893 sind Elektroden für elektrochemische Zellen bekannt, die elektrolytseitig mit einer Korrosions-Schutzschicht gegen den Elektrolyten versehen sind; beide Elektroden sind durch Dichtungen voneinander getrennt und die Korrosions-Schutzschichten dienen nicht zur elektrischen Isolierung der beiden Elektroden. Durch die DT-OS 16 71 851 ist ein Zellenaufbau bekannt, bei dem die gegenseitige Isolierung der beiden Elektroden durch einen Separator erfulgt; elektrolytseitig hat die Luftelektrode eine elektrisch leitende Graphitschicht Durch die US-PS 35 32 550 ist eine aus einem Metallband bestehende Elektrode bekannt, wobei das Band mehrfach gefaltet ist Durch die US-PS 35 44 379 ist ein Zellenaufbau bekannt bei dem die beiden Elektroden mittels besonderer Distanzelemente auf Abstand gehalten werden müssen, um eine Elektrolytströmung zu erlauben. Durch die DT-OS 20 40 611 ist ein Brennstoffelement bekannt bei dem bipolare Elektroden verwendet werden, deren Flächen mit länglichen Vorsprüngen aus einer unporösep Schicht bestehen, wobei die Elektroden unter Einfügung einer semipermeablen Membran aneinandergefügt sind; die Herstellung der Elektroden ist nur mit komplizierten Formen möglich. Durch die GB-PS 12 11 593 ist eine bipolare Elektrode bekannt, die mit eierbecherartigen Vertiefungen versehen ist.From CH-PS 4 55 893 electrodes for electrochemical cells are known, the electrolyte side with a corrosion protection layer are provided against the electrolyte; both electrodes are through seals separated from each other and the corrosion protection layers are not used for electrical insulation of the both electrodes. From DT-OS 16 71 851 a cell structure is known in which the mutual isolation the two electrodes carried out by a separator; On the electrolyte side, the air electrode has an electrically conductive graphite layer. US Pat 35 32 550 an electrode consisting of a metal strip is known, the strip being folded several times is by the US-PS 35 44 379 a cell structure is known in which the two electrodes by means of special Spacers must be kept at a distance to allow an electrolyte flow. A fuel element is known from DT-OS 20 40 611 in which bipolar electrodes are used, whose surfaces with elongated projections consist of a non-porous layer, the electrodes are joined together with the insertion of a semipermeable membrane; the manufacture of the electrodes is only possible with complicated shapes. From GB-PS 12 11 593 a bipolar electrode is known, which is provided with egg cup-like depressions.

Auch iie Herstellung dieser Elektrode erfordert eine komplizierte Form.The manufacture of this electrode also requires a complicated shape.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieh näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to an exemplary embodiment shown schematically in the drawing explained in more detail. It shows

F i g. 1 die Ausbildung der dem Elektrolyten zugekehrten Oberfläche einer erfindungsgemäßen Elektrode im Schnitt,F i g. 1 shows the design of the surface of an electrode according to the invention facing the electrolyte on average,

F i g. 2 die Ausbildung der Preßform für die Herstellung der Oberfläche.F i g. 2 the design of the mold for the production of the surface.

Die Elektrode nach der F i g. 1 besteht aus einem aktiven Katalysatormaterial 10, welches in bekannter Weise polymer gebunden ist. An die Oberfläche 12 sind poröse, erhabene Streifen 13 angesintert, so daß erstens die nicht weiter dargestellte anliegende Gegenelektrode elektrisch isoliert anliegt und zweitens durch die gebildeten Kanäle 14 ein für eine freie Elektrolytströmung ausreichender Raum zwischen zwei Elektroden e»ner Zelle geschaffen ist.
Als poröses, elektrisch isolierendes und vom Elektrolyten benetzbares Material wird zweckmäßig Glasvlies oder Asbestpapier verwendet. Die Stärke dieses Materials ist zweckmäßig 0,5 mm und kann um so geringer sein, je feinporöser es ist, so daß ein Hindurchdrücken des Katalysatormaterials 10 ausgeschlossen ist.The electrode according to FIG. 1 consists of an active catalyst material 10 which is polymer-bound in a known manner. Porous, raised strips 13 are sintered onto the surface 12, so that firstly the adjacent counter-electrode (not shown) is electrically insulated and secondly, the channels 14 that are formed create a space between two electrodes of a cell which is sufficient for a free flow of electrolyte.
Glass fleece or asbestos paper is expediently used as the porous, electrically insulating material that can be wetted by the electrolyte. The thickness of this material is expediently 0.5 mm and can be smaller, the more finely pored it is, so that the catalyst material 10 cannot be pushed through.

Die F i g. 2 zeigt schematisch eine Preßform 20, in die Katalysatormaterial 10 eingebracht ist. Auf das Material 10 sind Glasvliesstreifen 13 aufgelegt. Die Form 20 ist aufheizbar; ein den Streifen 13 angepaßter Preßstempel 21 drückt die Streifen 13 auf das Material 10, so daß durch die Wärmeeinwirkung und den Druck die Streifen 13 an das Material 10 ansintern.The F i g. 2 schematically shows a compression mold 20 into which the catalyst material 10 has been introduced. On the material 10 glass fleece strips 13 are placed. The mold 20 can be heated; a die adapted to the strip 13 21 presses the strips 13 on the material 10, so that by the action of heat and the pressure Sinter the strip 13 onto the material 10.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei sehr dünnen und großen Elektroden, wie sie erwünscht sind, durch den Verbund der Elektrodenschicht mit dem faserigen, inaktiven Material eine beträchtlich erhöhte Reißfestigkeit solcher großflächigen Dünnschichtelektroden erreicht wird. Die erfindungsgemäße Maßnahme kann mit Vorteil für beide Elektroden (Anode, Kathode) einer Zelle angewendet werden. Ferner wird ein sicherer Kurzschlußschutz und die Distanzhaltung ohne wesentlichen Arbeitsaufwand gleichzeitig mit dem Sintervorgang der Elektrode erreicht, so daß beim Zusammenbau der Zellen die Scheiderelemente entfallen und damit eine merkliche Vereinfachung eintritt.The advantages achieved by the invention are in particular that with very thin and large Electrodes, as they are desired, through the bond between the electrode layer and the fibrous, inactive material a considerably increased tear strength of such large-area thin-film electrodes is achieved. The measure according to the invention can advantageously be used for both electrodes (anode, cathode) of a cell will. Furthermore, a reliable short-circuit protection and the distance maintenance without significant work reached simultaneously with the sintering process of the electrode, so that when assembling the cells the separator elements are omitted and there is thus a noticeable simplification.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Polymer-bonded thin-film electrode for fuel cells with a sintered inactive one Cover layer on the electrolyte side of the electrode, which faces another electrode, d a through characterized in that on the flat, electrolyte-side surface (12) of the electrode (10) porous, electrically insulating strips (13) are sintered at a distance (14).