DE2402152A1

DE2402152A1 - Poroese elektrode fuer brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2402152A1
Application number: DE2402152A
Authority: DE
Inventors: Pierre Bono; Jacques Daunay; Pierre Groult; Francois Hubert
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1973-01-24
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1974-08-01
Also published as: FR2214975A1; JPS5728187B2; US3899356A; FR2214975B1; DE2402152C2; JPS49109843A; GB1433081A

Description

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B München 22, tert-Kosh-StraßBl _{4e <97}.

PBO/F/RCH
F 8701

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES

ALSTHOM & Cie 38 Avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX l6 (Frankreich)

PORÖSE ELEKTRODE FUR BRENNSTOFFZELLE

Die Erfindung betrifft eine poröse Elektrode für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Zelle, die einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, und einen gasförmigen Säuerstofftrager, wie Luft oder Sauerstoff, verwendet.

Sie betrifft ebenfalls ein Herstellungsverfahren für eine solche Elektrode.

Es sind Elektroden aus hauptsächlich einer auf einen Träger aufgebrachten Katalyseschicht bekannt, wobei eine der Trägerseiten mit einem Elektrolyten in Berührung steht, der den Brennstoff in gelöstem Zustand enthält, während die andere Seite mit dem Sauerstoffträger in Berührung steht. Stromsammler haben

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mit diesen Seiten Kontakt und sorgen für den Transport der beim elektrochemischen Prozess freiwerdenden Elektronen.

Jedoch weisen solche Elektroden gewisse Nachteile auf; es ist insbesondere notwendig, den gasförmigen Säuerstofftrager unter hohen Drücken zu halten.

Darüber hinaus besitzen solche Elektroden geringe Potentiale, deren Werte sehr weit von den optimalen Werten entfernt sind, die für einen gegebenen Elektrolyten den Höchstwerten des gesamten elektrochemischen Generators entsprechen.

Die Erfindung ermöglicht die Behebung solcher Nachteile und betrifft eine poröse Elektrode, die insbesondere hinsichtlich der Leitfähigkeit und des Elektrodenpotentials günstige Eigenschaften aufweist und dabei leicht und zu geringen Kosten herzustellen ist.

Die Erfindung betrifft also eine poröse Elektrode für eine Brennstoffzelle mit

- einer Katalyseschicht aus einer Mischung aus einem Katalysator und einem Polymer, insbesondere Polytetrafluorethylen,

- einer sog. Sperrschicht, die auf einer der Seiten der Katalyseschicht aufgebracht ist und aus diesem Polymer besteht und eine offene Porosität von 40 bis 60% besitzt, vorzugsweise von 50$,

- einem Stromsammler, der aus einem Gitter aus einem elektronenleitenden und chemisch inerten Material besteht,

- einem Separator aus einem Gexvebe, das auf die andere Seite der

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Katalyeseschicht aufgebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler die gesamte Sperrschicht durchquert und teilweise in die Katalyseschicht eindringt.

Die Erfindung betrifft aich ein Herstellungsverfahren für eine poröse Elektrode, bei der nacheinander

- auf eine Aluminiumfolie eine Mischung aus einem Katalysator mit 90 bis 40% Gewichtsanteil und Polytetrafluoräthylen mit 10 bis 60% Gewichtsanteil, die zuvor in Dibutylphtalat dispergiert wurden, aufgebracht wird,

- diese Schicht teilweise getrocknet wird,

- darauf die Sperrschicht aus Polytetrafluoräthylen aufgebracht wird, die zuvor in Dibutylphtalat dispergiert wurde,

- diese Anordnung getrocknet wird,

- das Gitter auf die vorgenannte Anordnung gelegt wird und mit einem Druck von 500 bis 2500 kg pro cm2 zusammengepresst wird,

- das Ganze durch Erhitzen in neutraler oder reduzierender Atmosphäre bei einer. Temperatur von 350 bis 420° C während 5 bis 60 Minuten gesintert wird.

Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung an Hand der beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht.

Fig. 1 stellt eine erfindungsgemässe poröse Elektrode dar.

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Die Figuren 2a und 2b beziehen sich auf das Herstellungsverfahren einer erfindungsgemassen Elektrode.

In den Figuren wurde die Stärke der verschiedenen Schichten absichtlich übertrieben.

Getnäss Fig. 1 umfasst eine erfindungsgemässe poröse Elektrode eine poröse Katalyseschicht 1, die aus einer Mischung aus Aktivkohle und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit praktisch 40 bis 90 bzw. 60 bis 10$ Anteilen gebildet wird. Auf diese Schicht 1 ist eine Schicht 2, die sog. Sperrschicht, aufgebracht, die ebenfalls aus PTFE besteht. Ein Stromsammler 3, der beispielsweise aus Nickel oder rostfreiem Stahl in Form eines beispielsweise feingetriebenen Gitters gebildet werden kann, ist in der dargestellten Weise in die Schichten 1 und 2 eingebettet. Es wurde auch ein kathodischer Stromsammler 1+ dargestellt, der die elektrische Verbindung mit der Nachbarelektrode (nicht gezeigt) herstellt, wobei selbstverständlich die beschriebene Elektrode Teil einer Gesamtheit aus bipolaren Elektroden ist, die die Brennstoffzelle bilden; solch eine Gesamtheit entspricht der Filterpressenbauweise.

Auf der anderen Seite der Schicht 1 wird ein Separator 5 aufgebracht, der aus einem luftdurchlässigen Gewebe besteht, während ein mit einer Katalyseschicht versehener Stromsammler die Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Nachbarelektrode herstellt.

Eine der so dargestellten Elektrodenseiten wird ent-

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lang dem Pfeil F mit Methanol und einem aus einer Kalium- oder alkalischen Karbonatlösung bestehenden Elektrolyten gespeist, während die andere Seite entlang dem Pfeil F* mit Luft versorgt wird-

Die Figuren 2a und 2b erklären das Herstellungsverfahren einer erfindungsgemessen porösen Elektrode.

Gemäss Fig. 2a wird zunächst die Katalyseschicht 1 auf eine Aluminiumfolie 8 aufgebracht, wobei ein gut bekanntes Siebdruckverfahren angewendet wii"d und eine vorbestimmte Schichtstärke erzielt wird. Zu diesem Zweck werden die Aktivkohle und das PTFE zuvor in Dibutylphtalat oder Wasser dispergiert, so dass eine ölige Tinte erhalten viird. Nach teilweisem Trocknen ergibt sich eine poröse Schicht 1, auf die die Sperrschicht 2· gemäss einer analogen Technik aufgebracht wird. Nach einem weiteren Trocknungsvorgang wird das Ganze in der angegebenen Weise mit dem feingetriebenen Gitter 3 überzogen und anschliessend entlang den Pfeilen F" einem Druck von 1?OO kg pro cm2 ausgesetzt, Fig. 2b zeigt, dass bei solch einem Druck das feingetriebene Gitter wie ein Locheisen durch die gesamte Sperrschicht 2 und einen Teil der Katalyseschicht 1 dringt, wie es angezeigt wird, wobei ein ausgezeichneter elektrischer Kontakt hergestellt wird. Darüber hinaus löst sich bei solch einem Druck die Aluminiumfolie 8. Vorteilhafterweise kann den zur Herstellung der Schichten 1 und 2 dienenden Tinten ein Schmiermit.tel zugesetzt werden, wie beispielsweise ein fluorkohlenstoffhaltiges 01, wodurch die Schichten leichter in die Hohlräume des feingetriebenen Gitters 3 eindringen.

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Nach dieser Kompressionsphase wird das Ganze in neutraler oder reduzierender Stickstoff- oder Stickstoff-Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 380° C während Minuten gesintert.

So erhält man eine Elektrode, die eine Gesamtstärke von etwa 100 bis 200 Mikron eine Porosität von 50$ und eine Leitfähigkeit von 0,2 bis 0,1 (SL x cm) für die Katalyseschicht aufweist.

Die so hergestellten Elektroden können auf die oben angegebene Weise zu Batterien gemäss der Filterpressenbauart zusammengestellt werden, wobei die Separatoren 5 sowie die Stromsammler 4 und 6 (Fig. 1} berücksichtigt werden.

Es ist darüber hinaus bemerkenswert, dass durch eine solche poröse Elektrode die Brennstoffzelle unter einem überdruck von nur einigen Millibar, der sehr einfach mit Hilfe eines normalen Ventilators erzeugt werden kann, mit Luft versorgt werden kann.

Es ist ebenfalls bemerkenswert, dass die Sperrschicht 2 verhindert, dass das Fethanoi durch die Elektrode dringt und verdampft, da die Temperatur bei etwa 75° C liegt.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

.) Poröse Elektrode fUr eine Brennstoffzelle mit

- einer Katalyse schicht aus einer Mischung aus einem Katalysator und einem Polymer, insbesondere Polytetrafluoräthylen,

- einer sog. Sperrschicht, die auf einer der Seiten der Katalyseschicht aufgebracht ist und aus einem Polymer besteht und eine offene Porosität von 40 bis 6Of besitzt, vorzugsweise von 50?o,

- einem Stromsammler, der aus einem Gitter aus einem elektronenleitenden und chemisch inerten Material besteht,

- einem Separator aus einem Gewebe, das auf die. andere Seite der Katalyseschicht aufgebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler (3) die gesamte Sperrschicht (2) durchquert und teilweise in die Katalyse schicht (1) eindringt.

2« Herstellungsverfahren fUr eine poröse Elektrode gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf eine Aluminiumfolie (8) eine Mischung aus einem Katalysator mit 90 bis 40£ Gewichtsanteil und Polytetrafluoräthylen mit 10 bis 6O<fo Gewichtsanteil, die zuvor in Dibutylphtalat dispergiert wurden, aufgebracht wird,

- diese Schicht teilweise getrocknet wird,

- darauf die Sperrschicht (2) aus Polytetrafluoräthylen aufgebracht wird, die zuvor in Dibutylphtalat dispergiert wurde,

- diese Anordnung getrocknet wird,

- das Gitter (3) auf die vorgenannte Anordnung gelegt wird

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und mit einem Druck von 500 Ms 2500 kg pro cm2 zusammengepresst wird,

- das Ganze durch Erhitzen in neutraler oder reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 350 bis 420° C während 5 bis 60 Minuten gesintert wird.

3» Verfahren gtmäss Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Dibutylphtalat ein Schmiermittel, wie z.B. ein mit Pluorkohlenstoff versetztes 01, benutzt wird.

4« Elektrochemischer Generator mit mindestens einer Elektrode gemäss einem der vorhergeheden Ansprüche.

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