DE2500305A1

DE2500305A1 - Leichte verbundelektrode und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2500305A1
Application number: DE19752500305
Authority: DE
Inventors: George Herbert Dews; Daniel Eichner; Frederick Stanley Kemp
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-01-11
Filing date: 1975-01-07
Publication date: 1975-07-17
Also published as: NL7500311A; JPS5199240A; AU7654774A; FR2258008B1; FR2258008A1; US3859139A; BR7500138A

Description

Leichte Verbundelektrode und Verfahren zur Herstellung derselben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung der Brennstoffzelleneinheiten und im besonderen auf eine Verbesserung der elektrischen Leistungsdichte der Brennstoffzelleneinheiten durch die Kompaktheit der individuellen Zellen ohne Gefahr eines Kurzschlusses zwischen und in diesen Zellen. Im besonderen weisen diese Zellen eine poröse Elektrolytmatrize mit einer dünnen leichten Elektrode an einer jeden Oberfläche der Matrize auf.

Eine grosse Aufmerksamkeit wurde in den vergangenen Jahren auf Brennstoffzellen und Brennstoffzellenbauteile verwandt ,um so die Herstellung elektrischer Energie zu verbessern. Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung in welcher ein Teil der Energie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Einer der Hauptvorteile der Brennstoffzellen mit Bezug auf bekannte Verfahren zur Herstellung von Elektrizität ist die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie ohne Zwischenstufe bei welcher die chemische Energie in ttärme umgewandelt wird,womit die Nachteile des

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Carnot Wärmezyklus umgangen werden. Weitere Vorteile sind die Lärmfre iheit / die Umweltfreundlithkeit dieser Brennstoffzellen sowie die Abwesenheit irgendwelcher beweglicher Teile.

Um die gewünschten Strom-und Volteigenschaften zu erreichen werden die Brennstoffzellen zusammengestellt und elektrisch miteinander verbunden. Um Raum zu sparen wurden sehr dünne poröse Elektrolytmatrizen mit leichten Elektroden an den Oberflächen der Matrize hergestellt. Solche Matrizen/Elektrodeneinheiten sind z.B. in dem US Patent Nr. 3 419 900 und in der britischen Patentschrift Nr. 935 415 beschrieben. Die im US Patent 3 419 900 beschriebene Elektrode besteht aus einer Mischung aus Metallpulver und hydrophobem Kunststoff welche zu einem Gitter verarbeitet wurde wobei die zwei Elektroden der Zelle durch eine Elektrolytmatrize getrennt sind. Gemäss der britischen Patentschrift 935 415 wird eine hydrophile Kunststoffolie an jeder Oberfläche mit einer dünnen, leitfähigen Katalysatorschicht überzogen so dass eine sehr kompakte Zelle erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Veioundelektrolytmatrize/ Elektrodeneinheit wobei die Elektrolytmatrize eine sehr hohe Porosität aufweisen kann, wodurch die Imprägnierung mit Elektrolyt gewährleistet ist, wobei jedoch keine Gefahr eines Kurzschlusses der Zelle durch die leitfähigen Katalysatoren der an den sich gegenüberliegenden Seiten der Matrize aufgebrachten Elektroden durch Kontakt besteht. Die Katalysetorschicht der Verbundelektrolytmatrize/Elektrodeneinheit der vorliegenden Erfindung hat eine flache, gleichmässige Oberfläche über die ganze Oberfläche der Eldtrolytmatrize wodurch die geometrische Struktur der Zelle verbessert und der Katalysator besser ausgenutzt wird

In Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine, hydrophile Elektrolytmatrize wie z.B. eine dünne, fasrige Matte hoher Porosität oder eine poröse Kunststoffmembrane mit einem flüchtigen Füllmaterial wie Wasser gefüllt. Das Füllmaterial wird in den Poren der Elektrolytmatrize verfestigt, wie z.B. im Falle von Wasser durch Herabsetzen der Temperatur unterhalb 0⁰C. Die mit einem verfestigen Füllmaterial gefüllte Elektrolytmatrize wird auf sich gegenüberliegenden Oberflächen mit einer Katalysatorschicht

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überzogen. Die Katalysatorschicht kann z.B. aus einer wässrigen Aufschlämmung eines Elektrokatalysators wie Platin und eines hydrophoben Kunststoffes wie kolloidalem Polytetrafluoroäthylen durch Aufsprühen, Aufbürsten oder als Paste aufgetragen werden. Hierauf wird die erhaltene Struktur behandelt, z.B. leicht erwärmt, um das flüchtige Füllmaterial zu entfernen und die Katalysator/Kunststoffschicht an die Matrize zu sintern oder zu binden. Durch dieses Verfahren wird eine Elektrodeneinheit erhalten wobei die internen Poren der Matrize frei oder im wesentlichen frei von Katalysator sind und die Katalysatorschicht eine flache, gleichmässige Oberfläche auf der Kunststoffmatrize bildet. Durch dieses Verfahren können Matrizenmaterialien welche extrem dünn und/oder hoch porös sind in der Herstellung von Brennstoffzellen eingesetzt werden ohne dass Probleme wie Impregnation oder Wanderung von Katalysator durch die Poren der Matrize auftreten und einen internen Kurzschluss bewirken.

Zur Herstellung der Elektrolytmatrize der vorliegenden Erfindung können eine Vielzahl bekannter Materialien wie Asbestmatten, fasrige Kunststoffmaterialien, Kunststoff membranen, cheramische Materialien und ähnliche welche eine poröse Struktur aufweisen und mit dem Elektrolyt verträglich sind so wie den Betriebsbedingungen der Zelle wiederstehen verwandt werden. Bevorzugt werden Matrizen aus Asbest, fasrigem Tuch oder Matten, Glas oder Zellulose eingesetzt. Für die Beschreibung geeigneter Matrizenmaterialien wird Bezug genommen auf die britische Patentschrift No. 935 415 und auf die US Patentschrift Nr. 3 297 484.

Als Katalysatorschicht kann ein beliebiges elektochemisch aktives Material welches an die Elektrolytmatrize gebunden werden kann eingesetzt werden. Wegen der gewünschten Verbindungseigenschaften besteht ein bevorzugter Katalysator aus einem elektrokatalytischem Material in Mischung mit einem hydrophoben Kunststoff. Als katalytisches Material kann ein beliebiges der elektrochemisch aktiven Metalle wie Nickel, Eisen, Gold, Platin, Palladium, Ruthenium ., Rhodium, Iridium und Legierungen derselben und ähnliche eingesetzt werden. Geeigrßbe Kunststoffmaterialien sind Polytetrafluoroäthylen, Polytrifluorochloroathylen, Polyvinylfluorid,

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Polyvinylidenfluorid, Polytrifluorethylen und Mischpolymerisate derselben. Wegen der aussergewöhnlichen elektrochemischen Aktivität werden Platin, Palladium und Iridium als Katalysatoren bevorzugt; wegen der aussergewöhnlichen hydrophoben Eigenschaften und dem Wärme- und Korrosionswiderstand in der Zellenumgebung wird Polytetrafluoroäthylen als Kunststoff bevorzugt.

Der Katalysator wird normalerweise zwischen ungefähr 0,1 mg/cm bis zu 10 mg/cm Elektrodenoberfläche aufgetragen. Wegen der hohen Katalysatorkosten ist es normalerweise wünschenswert den Katalysator in möglichst dünnen Schichten aufzutragen. Für verschiedene Anwendungen bei welchen der Kostenpunkt keine Rolle

2 Spielt können höhere Katalysatorbeladungen bis zu 35 mg/cm Katalysator aufgebracht werden.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein leitfähiger Träger auf die Katalysatorschicht aufgebracht nachdem der Katalysator auf die Elektrolytmatrize aufgebracht wurde; oder, die Poren der Matrize werden mit einem flüchtigen Material gefüllt und dieses wird verfestigt wie z.B. durch Einfrieren. Nachdem die Katalysatorschicht auf ein leitfähiges Trägermaterial aufgebracht wurde wird diese Einheit auf die Elektrolytmatrize aufgepresst wobei das verfestigte flüchtige Material ein Eindringen des Katalysators in die Matrixporen verhindert. Das flüchtige Material wird alsdann, z.B. durch Einwärmen, aus den Poren der Matrize entfernt. Das Metallträgermaterial, falls verwendet, muss sehr leitfähig sein und der Umgebung der Brennstoffzellen widerstehen. Bevorzugte Trägermaterialien sind Metallgitter, Streckmetalle, poröse Metalle oder KohlenstoffSinterstrukturen, Metallfilze. Diese Trägermaterialien weisen vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 bis 1,0 mm auf.

Als flüchtiges Füllmaterial wird vorzugsweise Wasser eingesetzt. Weitere Materialien welche gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet werden können sind organische Füllmaterialien welche vergast v/erden können, vorzugsweise unterhalb 300 C. Die Vergasung kann entweder durch Sublimation oder durch Verdampfung bei Temperaturen welche die Eigenschaften des Matrizenmaterials nicht nachträglich beeinflussen vorgenommen v/erden. Ausser Wasser sind folgende Materialien als Füllmaterialien geeignet: Ammoniumoxalat, Ammoniumkarbonat, und Kunststoffe mit einem niedrigen Zersetzungspunkt. Die flüchtigen Füllmaterialien ver-

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hindern nicht nur eine Imprägnierung der Matrize mit dem Katalysator, sie können auch, bei der Vergasung, die Porosität der Elektrode verbessern.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf das nachfolgende Beispiel:

Eine 15 mm dicke fasrige Asbestmatrize wurde gleichmässig mit Wasser getränkt. Die getränkte fasrige Matrize wurde auf -1O°C abgekühlt um das Wasser zu verfestigen. Hierauf wurde eine gleichmässige Aufschlämmung von Polytetrafluoroathylen und Platinschwarz auf eine jede Oberfläche der Matrize aufgebracht. Die Aufschlämmung bestand aus 70% Platinschwarz und 30% kolloidalem Polytetrafluoroathylen. Der üeberzug wurde so aufgetragen dass

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eine Katalysatorbeladung von 4 mg/cm erhalten wurde. Nachdem der Katalysator leicht in die Matrize eingedrückt wurde wurde die Struktur leicht auf eine maximale Temperatur von ungefähr 28O°C erwärmt. Bei dieser Temperatur wurde das verfestigte VJasser komplett entfernt und die Kunststoff/Katalysatorschicht an die Matrize gebunden. Ein Querschnitt durch die Elektrode zeigt dass die Katslysatorschicht eine im wesentlichen flache Schicht über die Elektrodenoberfläche bildet.

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Claims

Patentansprüche

. 1. Verfahren zur Herstellung einer leichten Elektrode
gekennzeichnet durch Tranken einer hydrophilen porösen Matrize
mit einer flüssigen flüchtigen Verbindung?

Verfestigung der flüchtigen Verbindung in den Poren der Matrize; Auftragung einer Katalysatorschicht auf wenigstens eine Oberfläche der Matrize;
Entfernung der flüchtigen Verbindung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die flüchtige Verbindung Wasser ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize eine fasrige Matte ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht aus einer Elektrokatalysatorhydrophoben Kunst stoff auf schläimnung aufgetragen wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der hydrophobe Kunststoff Polytetrafluoroäthylen ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Platin schwär ζ ist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf die zwei Oberflächen der
Matrize aufgetragen wird.
8. Verjähren nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Füllmaterial eine organische Verbindung ist welche unterhalb ungefähr 30O⁰C vergast werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial Ammoniumoxalat ist.

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