DE2402152C2

DE2402152C2 - Poröse Elektrode für Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE2402152C2
Application number: DE2402152A
Authority: DE
Inventors: Pierre Morangis Bono; Jacques Versailles Daunay; Pierre Longjumeau Groult; Francois Paris Hubert
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1973-01-24
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1982-07-22
Also published as: FR2214975B1; JPS5728187B2; GB1433081A; DE2402152A1; FR2214975A1; JPS49109843A; US3899356A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsammler (3) die gesamte Sperrschicht (2) durchquert und teilweise i-ⁿ die Katalyseschicht (1) eindringt.

2. Herstellungsverfahren für 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 60% Gcwichtsanteil. die zuvor in Dibutylphthalat dispergiert wurden, aufgebracht wird.

— diese Schicht teilweise getrocknet wird,

— darauf die Sperrschicht (2) aus Polytetrafluoräthylen aufgebracht wird, die zuvor in Dibutylphthalat dispergiert wurde,

— diese Anordnung getrocknet *ird,

— das Gitter (3) auf die vorgenannte Anordnung gelegt wird und mit einem L ."uck von 50 bis 250 MPa zusammengepreßt wird,

— das Ganze durch Erhitzen in neutraler oder reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 350 bis 420⁰C während 5 bis 60 Minuten gesintert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem Dibutylphthalat ein Schmiermittel, wie z. B. ein mit Fluorkohlensioff versetztes öl. benutzt wird.

Die Erfindung betrifft eine poröse Elektrode für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Zelle, die einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, und einen gasförmigen Sauerstoffträger, 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 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 Sauerstoffträger unter hohen Drücken zu halten.

Darüber hinaus besitzen solche Elektroden geringe Potentiale, deren Werte sehr weit von den optimalen ι 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

in 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 Polytetrafluoräthylen.

— einer sog. Sperrschicht, die auf einer der Seiten der λ 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

.^5 Material besteht,

— einem Separator aus einem Gewebe, das auf die andere Seite der Katalyseschichi aufgebracht ist,

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

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

— auf eine Aluminiumfolie eine Mischung aus eir.-m Katalysator mit 90 bis 40% Gewichisantcil und Polytetrafluorethylen mit 10 bis 60% Gcwid isanteil, die zuvor in Dibutylphthalat disp.vgiert wurden, aufgebracht wird,

— diese Schicht teilweise getrocknet wird,

— darauf die Sperrschicht aus PoIj 'ctrafl'.oräthylcn aufgebracht wird, die zuvor in üibv.ylphthalat dispergiert wurde,

— diese Anordnung getrocknet wird.

■»5 — das Gilter auf die vorgenannte Ar.-rdnung gelegt wird und mit einem Druck von i0 bis 250MPa zusammengepreßt wird.

— das Ganze durch Erhitzen
reduzierender Atmosphäre I^-Ji

so von 350 bis 42O⁰C währT.d

gesintert wird.

neutraler oder einer Temperatur 5 bis 60 Minuten

Weitere Kennzeichen ur.! Vorteile der Erfindung werden durch die nachfoly.-nde Beschreibung anhand der Zeichnungen verdeut'>:nt.

F i g. I stellt eine erfin «'Jngsgemäße poröse Elektrode dar.

Die Fig. 2a und 7 J beziehen sich auf das Herstellungsverfahren eine jrfindungsgemäßcn Elektrode. In den Fig. ν urde die Stärke der verschiedenen Schichten absichv.ch übertrieben.

Gemäß F i g. ι umfaßt eine erfindungsgemäße poröse Elektrode ein.· poröse Katalyseschicht I, die aus einer Mischung rijs Aktivkohle und Polytetrafluoräthylen (PTFE) mi· praktisch 40 bis 90 bzw. 60 bis 10% Anteilen gebildet wird. Auf diese Schicht I 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 4 dargestellt, der die elektrische Verbindung mit der Nachbarelektrode (nicht gezeigt) herstellt, wobei selbstverständlich die beschriebene Elektrode Teil einer Gesamtheit aus bipobren Elektroden ist, die die Brennstoffzelle bilden; solch eine Gesamtheit entspricht der Filierpressenbauweise.

Auf der andern Seite der Schicht t wird ein Separator 5 aufgebracht, der aus einem luftdurchlässigen Gewebe besteht, während ein mit einer Katalyseschicht versehener Stromsammler 6 die Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Nachbarelektrode herstellt.

Eine der so dargestellten Elektrodenseiten wird entlang dem Pfeil Fmit Methanol und einem aus einer Kalium- oder alkalischen Karbonaiiösung bestehenden Elektrolyten gespeist, während die andere Seite entlang dem Pfeil F'mit Luft versorgt wird.

Die Fig. 2a und 2b erklären das Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen porösen Elektrode.

Gemäß F i g. 2a wird zuiiächsi die Katalyseschicht ί auf eine Aluminiumfolie 8 aufgebracht, wobei ein gut bekanntes Siebdruckverfahren angewendet wird und eine vorbestimmte Schichtstärkc erzielt wird. Zu diesem Zweck werden die Aktivkohle und das PTFE zuvor in Dibutylphthalai oder Wasser dispergicrt, so daß eine ölige Tinte erhalten wird. 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 190MPa ausgesetzt. F i g. 2b zeigt, daQ bei solch einem Druck das feingetriebene Gitter wie ein Locheisen durch die gesamte Sperrschicht 2 und ci.'n.-n 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. Vorteilhafierweise kann den zur \ lerstellung der Schichten 1 und 2 dienenden Tinten ein Schmiermittel zugesetzt werden, wie beispielsweise ein fluorkohlenstoffhaltiges öl, wodurch die Schichten leichter in die Hohlräume des feingetriebenen Gitters 3 eindringen.

Nach dieser Kompressionsphase wird das Ganze in neutraler oder reduzierender Stickstoff- oder Stickstoff Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 380°C während 30 Minuten gesintert.

So erhält man eine Elektrode, die eine Gesamtstärke von etwa 100 bis 200 μσι eine Porosität von 50% und eine Leitfähigkeit von 0,2 bis 0.1 (Ω χ cm) für die Katalysescliichi aufweist.

Die so hergestellten Elektroden können auf die oben angegebene Weise zu Batterien g-crnä" der Filterpressenbauart zusammengestellt w-den, webe' 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 di." Sperrschicht 2 verhindert, daß das Methanol durch die Elektrode dringt und verdampft, da die Temperatur bei etwa 75°C liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Poröse Elektrode für eine Brennstoffzelle mit

— einer Katalyseschicht aus einer Mischung aus einem Katalysator und einem PoIj ner, insbesondere Polytetrafluorethylen,

— einer sog. Sperrschicht, die auf einer der Seiten der Katalyseschichi aufgebracht ist und aus einem 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 Gewebe, das auf die andere Seile der Katalyseschicht aufgebracht ist.