DE2402156A1 - BIFUNCTIONAL ELEMENT FOR FUEL CELL WITH FILTER PRESS DESIGN - Google Patents
BIFUNCTIONAL ELEMENT FOR FUEL CELL WITH FILTER PRESS DESIGNInfo
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Description
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PBO/F/RCH
F 8702PBO / F / RCH
F 8702
SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUESSOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES
ALSTHOM & Cie 38 Avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX l6 (Frankreich)ALSTHOM & Cie 38 Avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX l6 (France)
BIFUNKTIONALES ELMENT FUR BRENNSTOFFZELLE MIT FILTERPRESSENAUFBAUBIFUNCTIONAL ELMENT FOR FUEL CELL WITH FILTER PRESS CONSTRUCTION
Die Erfindung betrifft ein bifunktionales Element oder eine poröse Elektrode für Brennstoffzellen, insbesondere für eine Zelle, die einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, und einen gasförmigen Sauerstoffträger wie Luft oder ■ Sauerstoff seibat verwendet.The invention relates to a bifunctional element or a porous electrode for fuel cells, in particular for a cell that contains a liquid fuel such as methanol and a gaseous oxygen carrier such as air or ■ Oxygen used seibat.
Sie betrifft ausserdem ein Herstellungsverfahren für eine solche Elektrode.It also relates to a manufacturing method for such an electrode.
Eb sind Elektroden bekannt, die hauptsächlich aus einer auf einen Träger aufgebrachten Katalyseschicht bestehen, wobei eine der Trägerseiten mit einem Elektrolyten in Berührung steht, der den Brennstoff in gelöstem Zustand oder als Emulsion ent-Eb electrodes are known which mainly consist of a catalysis layer applied to a support, wherein one of the sides of the carrier is in contact with an electrolyte, which forms the fuel in a dissolved state or as an emulsion.
40983 1/077240983 1/0772
24021362402136
hält, während die andere Trägerseite mit dem Sauerstoffträger in Berührung steht. Stromsammler befinden sich in leitender Verbindung mit diesen Seiten und sorgen für den Transport der beim elektrochemischen Prozess freiweidenden Elektronen.holds while the other side of the carrier is in contact with the oxygen carrier. Current collectors are in a conductive connection with these sides and ensure the transport of the electrons that graze freely during the electrochemical process.
Solche Elektroden weisen jedoch bestimmte Nachteile auf.However, such electrodes have certain disadvantages.
Insbesondere weisen sie meistens eine unzureichende Porosität auf, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, unter hohem Druck stehende Sauerstoffträger zu benutzen.In particular, they usually have insufficient porosity, which results in the need to use high Use pressurized oxygen carriers.
Darüber hinaus haben solche Elektroden geringe Potentiale und Leitfähigkeiten, deren Vierte sehr weit von den optimalen Werten abweichen, die bei einem gegebenen Elektrolyten den Höchstleistungen des elektrochemischen Generators entsprechen.In addition, such electrodes have low potentials and conductivities, the fourth of which is very far from the optimal Deviate from values that correspond to the maximum performance of the electrochemical generator for a given electrolyte.
Darüber hinaus wird bei hestimmten Elektrodentypen ein feingetriebenes Nickelgitter oder Gitter aus rostfreiem Stahl verwendet, das in die Katalyseschicht eingebettet ist-, wodurch der Herstellungspreis erheblich steigt.In addition, certain types of electrodes are used Finely ground nickel mesh or stainless steel mesh used, which is embedded in the catalysis layer - whereby the manufacturing price increases significantly.
Die Erfindung soll solche Nachteile beheben. Sie betrifft ein bifunktionales Element oder eine poröse Elektrode, die insbesondere hinsichtlich der Leitfähigkeit und dem Potential optimale Eigenschaften aufweist, dabei jedoch einfach und zu geringen Kosten herzustellen ist.The invention is intended to remedy such disadvantages. It concerns a bifunctional element or a porous electrode, which has optimal properties in terms of conductivity and potential, but simple and can be manufactured at low cost.
Die Erfindung betrifft ein bifunktionales Element oder eine poröse Elektrode für Brennstoffzellen mitThe invention relates to a bifunctional element or a porous electrode for fuel cells with
- einer Katalyseschicht aus einer Mischung aus einem Katalysator und einem Polymer, vor allem Polytetrafluorethylen,- A catalytic layer composed of a mixture of a catalyst and a polymer, especially polytetrafluoroethylene,
4098 3 1/07 7 2 ,4098 3 1/07 7 2,
ORIGINALORIGINAL
? Λ Π ? 1 5 6? Λ Π? 1 5 6
- einer sog. Sperrschicht, die auf die Katalyseschicht aufgebracht wird und deren Hauptbestandteil das genannte Polymer ist,- a so-called barrier layer, which is applied to the catalytic layer and whose main component is the named polymer,
- einem Kathodenstromsammler, der elektrischen Kontakt mit der Sperrschicht hat und aus einem.elektronenleitenden und chemisch inerten Metall hergestellt ist, - a cathode current collector, which has electrical contact with the barrier layer and is made of an electron-conducting and chemically inert metal,
- einer Mambran, auf dei die Katalyseschicht aufgebracht wird, wobei die Sperrschicht durch Zusatz eines leitenden Stoffs zum Polymer elektrisch leitend gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenstromsammler vorzugsweise mit Hilfe eines leitenden Lacks auf die Sperrschicht geklebt ist.- a mambran on which the catalytic layer is applied, wherein the barrier layer is made electrically conductive by adding a conductive substance to the polymer, characterized in that that the cathode current collector is preferably glued to the barrier layer with the aid of a conductive lacquer.
Das Herstellungsverfahren einer solchen Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass nacheinanderThe manufacturing process of such an electrode is characterized in that one after the other
- auf die Membran die Katalyseschicht aufgebracht wird, indem eine Mischung aus einem Katalysator mit 80 bis 40$ Gewichtsanteil und aus Polytetrafluoräthylen mit 20 bis 60% Gewichtsanteil, die vorzugsweise zuvor in Dibutylphtalat dispergiert sind, verteilt werden,- The catalysis layer is applied to the membrane by distributing a mixture of a catalyst with 80 to 40% by weight and of polytetrafluoroethylene with 20 to 60% by weight, which are preferably dispersed beforehand in dibutyl phthalate,
- diese Anordnung getrocknet wird,- this arrangement is dried,
- darauf die leitende Sperrschicht aufgebracht wird, indem eine Mischung aus Polytetrafluoräthylen mit 80 bis 30% Gewichtsanteil und Kohlenstoff mit 20 bis 70$ Gewichtsanteil, die zuvor vorzugsweise in Dibutylphtalat dispergiert sind, verstrichen werden,- The conductive barrier layer is applied to it by a mixture of polytetrafluoroethylene with 80 to 30% by weight and carbon of $ 20 to $ 70 by weight, previously preferred are dispersed in dibutyl phthalate, are spread,
- das Ganze getrocknet wird,- the whole thing is dried,
- dann durch Erhitzen in neutraler oder reduzierender Atmosphäre- then by heating in a neutral or reducing atmosphere
A 0 9 B :i 1 / G 7 7 2 ,A 0 9 B : i 1 / G 7 7 2,
ORIGINAL !NSPECTEDORIGINAL! NSPECTED
bei einer Temperatur von 350 bis 420° während 5 bis 50 Minuten gesintert wird,at a temperature of 350 to 420 ° for 5 to 50 minutes is sintered,
-· dieser Kathodenstromsammler auf die Sperrschicht mit Hilfe eines leitenden Lacks geklebt wird.- · this cathode current collector on the barrier layer with the help a conductive varnish is glued.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur verdeutlicht. Die Schichten wurden in dieser Figur absichtlich stark vergrössert gezeichnet.Further characteristics and advantages of the invention are given in the following description on the basis of an exemplary embodiment clarified with reference to the accompanying figure. The layers in this figure have been intentionally greatly enlarged drawn.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemässe poröse Elektrode mit einer porösen Katalyseschicht 1, die aus einer Mischung aus Aktivkohle und aus Polytetrafluorathylen (PTFE) mit praktisch 70 bzw. 30% Gewichtsanteil gebildet wird. Auf diese Schicht 1 wird eine Schicht 2. die sog. leitende Sperrschicht, aufgebracht, die aus einer Mischung aus PTFE und Graphit mit etwa 40 bzw. 60% Gewichtsanteil besteht. Es wird ebenfalls ein kathodischer Stromsammler 3 dargestellt, der die elektrische Verbindung mit der Nachbarelektrode (nicht dargestellt) herstellt, wobei selbstverständlich die beschriebene Elektrode zu einer Elektrodengesamtheit gehört, die die Brennstoffzelle bildet; eine solche Gesamtheit entspricht der Filterpressenbauweise.The figure shows a porous electrode according to the invention with a porous catalytic layer 1, which consists of a mixture of activated carbon and polytetrafluorethylene (PTFE) with practically 70 or 30% by weight is formed. On this layer 1 a layer 2. the so-called conductive barrier layer is applied, which consists of a mixture of PTFE and graphite with about 40 or 60% By weight. It is also shown a cathodic current collector 3, the electrical connection with the Adjacent electrode (not shown) produces, of course, the described electrode to an electrode assembly that forms the fuel cell; such a whole corresponds to the filter press construction.
Der Stromsammler 3 wird auf die Sperrschicht 2 mit Hilfe eines leitenden Lacks, der genügend starr ist, um Widerstandsveränderungen nicht auftreten zu lassen, auf die Sperrschicht 2 geklebt. Ein solcher Lack ist mit Graphitstaub versetztes Epoxyharz.The current collector 3 is attached to the barrier layer 2 with the aid of a conductive lacquer which is sufficiently rigid to prevent changes in resistance not to let occur, glued to the barrier layer 2. Such a paint is mixed with graphite dust Epoxy resin.
4 ü H 8 :> 1 / (3 7 7 24 ü H 8 :> 1 / (3 7 7 2
Die Katalyse schicht 1 -wird auf eine Membran 4 aufgebracht, die beispielsweise aus mit Epoxyharz getränktem Asbestpapier besteht. Vorteilhafterweise kann diese Membran aus einem Gewehe aus mit verschlungenen und in neutraler Atmosphäre calcinierten Viskosezellulosefasern bestehen.The catalysis layer 1 - is applied to a membrane 4, which consists, for example, of asbestos paper impregnated with epoxy resin. Advantageously, this membrane can consist of one Gewehe made with intertwined and calcined in a neutral atmosphere Viscose cellulose fibers are made.
Die Figur zeigt auch einen anodischen Stromsammler 5, der die elektrische Verbindung mit der Nachbarelektrode (nicht eingezeichnet) herstellt und deren der Membran 4 gegenüberliegende Seite eine anodische Katalyseschicht trägt.The figure also shows an anodic current collector 5, which establishes the electrical connection with the neighboring electrode (not drawn) and the membrane 4 opposite Side carries an anodic catalysis layer.
Eine der Seiten der so dargestellten Elektrode wird entlang dem Pfeil F mit Methanol und einem aus einer Kaliumpufferlösung oder einer alkalischen Karbonatlösung gebildeten Elektrolyten gespeist, während die andere Seite entlang dem Pfeil ΐ1? mit Luft versorgt wird.One of the sides of the electrode shown in this way is fed along the arrow F with methanol and an electrolyte formed from a potassium buffer solution or an alkaline carbonate solution, while the other side along the arrow ΐ 1? is supplied with air.
Das Herstellungsverfahren für eine solche poröse Elektrode ist wie folgt:The manufacturing process for such a porous electrode is as follows:
Auf die wie zuvor dargelegt aus entweder mit Epoxyharz getränktem Asbestpapier oder einem Gewebe aus zuvor in neutraler Atmosphäre mit etwa 400° C calcinierter Zellulose gebildete Membran L wird die Katalyseschicht 1 aufgebracht, wobei ein bekanntes Siebdruckverfahren angewendet werden kann, und eine vorbestimmte Stärke eingehalten wird. Zu diesem Zweck werden die Aktivkohle und das PTFE zuvor in Dibutylphtalat öder Wasser dispergiert, so dass man eine ölige Tinte erhält. Nach dem Trocknen ergibt sich eine poröse Schicht 1, auf die die Sperrschicht 2 mit Hilfe einer analogen Technik gelegt wird* The catalysis layer 1 is applied to the membrane L , which is made of either epoxy resin-soaked asbestos paper or a fabric of cellulose previously formed in a neutral atmosphere with about 400 ° C., using a known screen printing process, and a predetermined thickness is maintained. For this purpose, the activated carbon and the PTFE are previously dispersed in dibutyl phthalate or water, so that an oily ink is obtained. After drying, a porous layer 1 results, on which the barrier layer 2 is placed using an analogous technique *
./. •4 09831/0772./. • 4 09831/0772
2 4 η ν 1 5 62 4 η ν 1 5 6
Darauf viird das Ganze in neutraler oder reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 340° bis 400° C während 30 bis 60 Minuten gesintert.Then the whole thing becomes neutral or reducing Atmosphere at a temperature of about 340 ° to 400 ° C for 30 to 60 minutes.
Anschliessend braucht nur noch der Stromsammler 3 auf die Sperrschicht 2, wie zuvor angegeben, geklebt werden.Then only the current collector 3 needs to be used up the barrier layer 2, as previously indicated, glued.
/Ulf diese Weise erhält man eine Elektrode, deren Dicke insgesamt etwa 200 bis 350 Mikron beträgt und die eine Porosität von 50^ aufweist./ Ulf this way one obtains an electrode whose thickness is about 200 to 350 microns total and has a porosity of 50 ^.
Die so hergestellten Elektroden können, wie zuvor dargestellt, gemäss der Filterpressenbauweise zu einer Batteriezelle zusammengestellt werden. Natürlich werden dabei vor allem die anodischen Separatoren 5 berücksichtigt.The electrodes produced in this way can, as shown above, be combined to form a battery cell in accordance with the filter press design. Of course, especially the anodic separators 5 taken into account.
Es ist darüber hinaus darauf hinzuweisen, dass eine solche weiche und poröse Elektrode es erlaubt, die Brennstoffzelle unter einem nur geringen Überdruck von einigen Gramm pro ci7i2 mit Luft zu versorgen, was auf einfache Weise mit Hilfe eines normalen Ventilators erreicht werden kann.It should also be noted that such a soft and porous electrode allows the fuel cell to supply air with only a slight overpressure of a few grams per ci7i2, which can be done easily with the help of a normal fan can be achieved.
Darüber hinaus kann in dem Fall, dass die Membran aus einem Gewebe aus calcinierter Zellulose besteht, die Elektrode in jedem chemischen Milieu, und insbesondere in saurem Milieu, verwendet werden.In addition, in the case that the membrane consists of a fabric made of calcined cellulose, the electrode can be used in any chemical medium, and especially in an acidic medium.
Schliesslich ist auch bemerkenswert, dass die Sperrschicht 2 verhindert, dass das Methanol die Elektrode durchquert und verdampft, da die Temperatur des Ganzen bei etwa 75° C liegt.Finally, it is also noteworthy that the barrier layer 2 prevents the methanol from passing through the electrode and evaporates, since the temperature of the whole is around 75 ° C.
- Patentansprüche 409831 /0772- Claims 409831/0772
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