DE2402156C2

DE2402156C2 - Process for the production of a porous electrode for fuel cells

Info

Publication number: DE2402156C2
Application number: DE2402156A
Authority: DE
Inventors: Pierre 91420 Morangis Bono; Jacques 7800 Versailles Daunay; Pierre 91160 Longjumeau Groult; Francois 75020 Paris Hubert
Original assignee: Generale De Constructions Electriques & Mecaniques Alsthom & Cie Paris Fr Ste
Current assignee: Generale De Constructions Electriques & Mecaniques Alsthom & Cie Paris Fr Ste
Priority date: 1973-01-25
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1982-10-14
Also published as: FR2215710A1; DE2402156A1; JPS49104144A; GB1411931A; FR2215710B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Elektrode für Brennstoffzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Insbesondere für eine Zelle, die einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, und einen gasförmigen Sauerstoffträger wie Luft oder Sauerstoff verwendet.The invention relates to a method of manufacture a porous electrode for fuel cells according to FIG Preamble of claim 1, in particular for a cell, which use a liquid fuel, such as methanol, and a gaseous oxygen carrier such as air or oxygen is used.

Es sind Elektroden bekannt, die hauptsächlich aus einer auf einen Träger aufgebrachten Katalyseschicht bestehen, wobei eine der Trägerselten mit einem Elektrolyten In Berührung steht, der den Brennstoff In gelöstem Zustand oder als Emulsion enthält, während die andere Trägerseite mit dem Sauerstoffträger In Berührung steht. Stromkollektoren befinden sich In leitender Verbindung mit diesen Selten und sorgen für den Transport der beim elektrochemischen Prozeß freiwerdenden Elektronen (DE-OS 19 62 349).Electrodes are known which mainly consist of a catalysis layer applied to a support consist, with one of the carriers rarely containing an electrolyte Is in contact, which contains the fuel in a dissolved state or as an emulsion, while the other side of the carrier in contact with the oxygen carrier stands. Current collectors are in conductive connection with these rare and ensure the transport the electrons released during the electrochemical process (DE-OS 19 62 349).

Aus der DE-OS 2037 795 ist welter bekannt, eine Katalyseschicht mit einer inaktiven, aber porösen Sperrschicht zu bedecken, die aus demselben Grundmaterial (Faserfilz mit Kunststoffbindemittel) wie die Katalyseschicht besteht und mit dieser zugleich hergestellt wird. Das Herstellungsverfahren 1st jedoch kompliziert (Sedimentlerung In Wasser auf Filterpapier), für eine Massenfabrikation schlecht geeignet und führt nur zu einer mäßig porösen Elektrode.From DE-OS 2037 795 is welter known a Covering the catalytic layer with an inactive but porous barrier layer made from the same base material (Fiber felt with plastic binder) like the catalytic layer exists and is produced with this at the same time. However, the manufacturing process is complicated (sedimentation In water on filter paper), for mass production poorly suited and only leads to a moderately porous electrode.

ίο Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfacheres Herstellungsverfahren für eine Elektrode der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art anzugeben, das zu einer elastischen, porösen und stabilen Elektrode führt. Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 definierte Verfahren gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.ίο The object of the invention is to provide a simpler manufacturing process specify for an electrode of the type defined in the preamble of claim 1, which leads to an elastic, porous and stable electrode. This task is carried out by the Claim 1 defined method solved. With regard to features of preferred embodiments of the invention reference is made to the subclaims.

Die Erfindung wirrt In der folgenden Beschreibung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur verdeutlicht. Die Schichten wurden in dieser Flg. absichtlich stark vergrößert gezeichnet.The invention is confused in the following description on the basis of an exemplary embodiment with reference to the attached figure illustrates. The layers were in this Flg. intentionally drawn greatly enlarged.

Die Flg. zeigt eine erfindungsgemäße poröse Elektrode mit einer porösen Katalyseschicht 1, die aus einer Mischung aus Aktivkohle und aus Polytetrafluoräthylen (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% Gewlchtsameil besteht. Es wird ebenfalls ein kathodischer Stromkollektor 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 Flg. shows a porous electrode according to the invention with a porous catalytic layer 1, which consists of a Mixture of activated carbon and polytetrafluoroethylene (PTFE) with practically 70 or 30% by weight will. A layer 2, the so-called conductive barrier layer, is applied to this layer 1, which consists of a Mixture of PTFE and graphite with about 40 or 60% weight part. It also becomes a cathodic Current collector 3 is shown, which makes the electrical connection with the neighboring electrode (not shown) manufactures, wherein of course the electrode described belongs to an electrode assembly that the Fuel cell forms; such a whole corresponds to the filter press construction.

Der Stromkollektor 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 mitThe current collector 3 is on the barrier layer 2 with With the help of a conductive lacquer that is sufficiently rigid that changes in resistance do not occur the barrier layer 2 glued. Such a varnish is with

Epoxy resin mixed with graphite dust.

Die Katalyseschicht 1 wird auf eine Membran 4 aufgebracht, die beispielsweise aus mit Epoxyharz getränktem Asbestpapier besteht. Vorteilhafterwelse kann diese Membran aus einem Gewebe aus mit verschlungenen und in neutraler Atmosphäre calcinieren Viskosezellulosefasern bestehen.The catalytic layer 1 is applied to a membrane 4, which consists, for example, of asbestos paper impregnated with epoxy resin. This can be more advantageous Membrane made from a woven fabric made of viscose cellulose fibers that are intertwined and calcined in a neutral atmosphere exist.

Die Flg. zeigt auch einen anodischen Stromkollektor 5, der die elektrische Verbindung mit der Nachbarelektrode (nicht eingezeichnet) herstellt und deren der Membran 4 gegenüberliegende Seite eine anodische Katalyseschicht trägt.The Flg. also shows an anodic current collector 5, which makes the electrical connection with the neighboring electrode (not shown) and the side opposite the membrane 4 produces an anodic catalytic layer wearing.

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 F' mit Luft versorgt wird.One of the sides of the electrode as shown is fed along arrow F with methanol and an electrolyte formed from a potassium buffer solution or an alkaline carbonate, while the other side along the arrow F is supplied with air '.

Das Herstellungsverfahren für eine solche poröse Elektrode Ist wie folgt:
Auf die wie zuvor dargelegt aus entweder mit Epoxyharz getränktem Asbestpapier oder einem Gewebe aus zuvor In neutraler Atmosphäre mit etwa 400° C calclnierter Zellulose gebildete Membran 4 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 Dibutylphthalat oder Wasser dlsperglert, so daß man eine ölige Tinte erhält. Nach dem Trocknen ergibt sich eine poröse Schicht 1,The manufacturing process for such a porous electrode is as follows:
The catalysis layer 1 is applied to the membrane 4 previously formed from either asbestos paper impregnated with epoxy resin or a fabric made from cellulose previously formed in a neutral atmosphere with about 400 ° C., a known screen printing process being used and a predetermined thickness being maintained. For this purpose, the activated carbon and the PTFE are previously sprayed in dibutyl phthalate or water, so that an oily ink is obtained. After drying, a porous layer 1 results,

auf die die Sperrschicht 2 mit Hilfe einer analogen Technik gelegt wird.onto the barrier layer 2 using an analog technique is placed.

Darauf wird 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 Stromiiollektor 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 indicated above, glued.

Auf diese Weise erhält man eine Elektrode, deren Dicke insgesamt etwa 200 bis 350 Mikrometer beträgt und die eine Porosität von 50» aufweist.In this way an electrode is obtained which has a total thickness of about 200 to 350 micrometers and which has a porosity of 50 ».

Die so hergestellten Elektroden !können, wie zuvor dargestellt, geniaß der Filterpressenbauweise zu einer Batteriezelle zusammengestellt werden. Natürlich werden dabei vor allem die anodischen Kollektoren 5 berücksichtigt. The electrodes produced in this way can, as shown above, The filter press design can be combined to form a battery cell. Of course you will especially the anodic collectors 5 are taken into account.

Es ist darüber hinaus darauf hinzuweisen, daß eine solche welche und poröse Elektrode es erlaubt, die Brennstoffzelle unter einem nur geringen Oberdruck von einigen Gramm pro cm² mit Luft zu versorgen, was auf einfache Welse mit Hilfe eines normalen Ventilators erreicht werden kann.It should also be pointed out that such a porous electrode allows the fuel cell ^{to be supplied with air under only a slight overpressure of a few grams per cm 2} , which can be easily achieved with the aid of a normal fan.

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 event that the membrane consists of a fabric made of calcined cellulose, the Electrode can be used in any chemical medium, and in particular 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 reaching the electrode crossed and evaporated as the temperature of the whole is around 75 ° C.

1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for the production of a porous electrode for fuel cells,

- iriit a catalysis layer made of a mixture of a catalyst and a polymer,

- With a barrier layer, the main component of which is the said polymer and the other is an electron-conducting layer Contains material and is applied to the catalytic layer,

- with a cathode current collector, which is in electrical Contact with the barrier layer is made of an electron-conductive and chemically inert Material and is glued to the barrier layer with an electron-conductive varnish,

- and with a membrane on which the catalytic layer Is applied, characterized in that the catalysis layer on the Membrane is applied by a mixture of 80 to 40 wt .-% of a catalyst and from 20 to 60% by weight of polytetrafluoroethylene previously in dibutyl phthalate or water dlsperglert, is distributed on the membrane,

- that this layer is then dried,

- that welter the barrier layer on the catalysis Schlchl is applied by a mixture of 80 to 30 wt .-% polytetrafluoroethylene and 20 to 70 wt% carbon previously in Dibutyl phthalate or water was dispersed on the catalysis layer,

- that this layer is then dried,

- that then the whole thing by heating in a neutral or reducing atmosphere at one temperature is sintered at between 350 and 420 ° C for 5 to 10 minutes and

- That the cathode current collector on the barrier layer is glued on with a conductive varnish.

2. The method according to claim 1, characterized in that a membrane is made of a fabric entangled cellulose fiber is used, previously under an inert or reducing atmosphere was calcined at a temperature between 340 and 400 ° C.

3. The method according to claim 1, characterized in that a membrane is used made of an asbestos film that has been previously soaked with an epoxy resin.