DE2638987A1

DE2638987A1 - Durch siebdruck hergestellte elektrolytmatrizen

Info

Publication number: DE2638987A1
Application number: DE19762638987
Authority: DE
Inventors: Dan Elliott Elmore; Ronald J Stosak; John Charles Trocciola
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1976-08-30
Publication date: 1977-03-10
Also published as: IL50402A; GB1510076A; FR2323240A1; IL50402A0; FR2323240B1

Description

Durch Siebdruck hergestellte Elektrolytmatrizen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf neuartige Verfahren zur Herstellung von Elektrolytmatrizen.

Brennstoffzellen zur Herstellung elektrischer Energie aus einem Brennstoff und einem Oxydationsmittel sind gut bekannt. Diese bekannten Zellen umfassen im allgemeinen ein Gehäuse, eine Oxydationsmittelelektrode, eine Brennstoffelektrode und einen zwischen diesen Elektroden liegenden Elektrolyten. Als Elektrolyt kann ein Feststoff, eine geschmolzene Paste, eine freifliessende Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit in einer Matrize verwendet werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Brennstoff zellenelektrolytmatrizen.

Um eine optimale Leistung in Flüssigkeitbrennstoffzellen zu gewährleisten muss die Matrize verschiedene Eigenschaften aufweisen. So sollte ^Ίϊε Matrize hydrophil sein. Auch sollte die Matrize keine Fehlstelle aufweisen um einen Gasübergang und ein Vermischen der Reaktionsgase in der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die Matrize sollte so dünn wie möglich sein um die Stromverluste durch den Elektrolyten minimal Zn halten. Ein intimer Kontakt zwischen der Matrize und den Elektrodenoberflächen ist notwendig um eine maximale Katalysatorverwendung zu erhalten. Auch sollte die

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Matrize eine gleichmässige Dicke aufweisen da ungleichmässigei ^; Elektroden eine schlechte Stromverteilung und somit eine Verminderung der Leistung bewirken. Die Porengrösseverteilung der Matrize sollte auch eingestellt werden um einen Gasübergang zu vermeiden und eine gute Verteilung des Elektrolyten in der Zelle zu gewährleisten.

Es ist nicht einfach diese Eigenschaften zu erhalten, und das Problem wird noch dadurch erschwert, dass die Auswahl der geeigneten Materialien beschränkt ist. Die Materialien müssen chemisch und thermisch bei den Zellenbetriebstemperaturen stabil sein, sie dürfen den Katalysator nicht vergiften und müssen einen hohen elektronischen Widerstand aufweisen. Auch sollte die Matrize möglichst in einem wirtschaftlichen Verfahren herstellbar sein.

In einem wirtschaftlichen bekannten Verfahren zur Herstellung von Matrizen wurden Papierherstellungsverfahren verwendet wobei die Matrize in Blattform ausgebildet und zwischen den Elektroden eher Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzellenanlage mechanisch angebracht wurde. In dem US Patent 3 407 24 9 wird die Herstellung von Blättern oder Folien aus fibrillierten Polytetrafluoroäthylen beschrieben. In dem US Patent 3 62 7 859 von Mesite et al värd die Herstellung einer Matrize aus Cellulosefasern in Mischung mit einem Fluorkohlenstoffkunststoff beschrieben. Das US Patent 3 694 310 von Emanuelson et al beschreibt die Herstellung von Matten aus Phenolharzfasern welche mit einem phenolischen Zusatzharz überzogen sind.

Die mechanische Anbringung der Matrize zwischen den Elektroden hat, unabhängig von dem ausgewählten Matrizenmaterial, den Nachteil, dass nicht unbedingt ein intimer Kontakt zwischen der Matrize und der Elektrode über die gesamte Oberfläche der Elektro-

Die

den und der Matrize erhalten wird.vdurch die Papierherstellungsverfahren hergestellten Matrizen haben desweiteren den Nachteil, dass bei dünnen Matrizen die Eigenschaften verloren gehen welche einen Gasübergang vermeiden. Selbst wenn ein möglichst dünnes Matrizenmaterial hergestellt werden könnte wäre es extrem schwierig oder sogar unmöglich, dieses Blatt oder die Folie zu. handhaben.

Die Nachteile der Papierherstellungsverfahren können durch ein

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Verfahren vermieden werden gemäss welchem die Matrize direkt auf die Oberfläche einer Elektrode durch Eintauchen der Elektrode in eine wässrige Lösung des.Matrizenmaterials.wie in Blanc et al US Patent 3 022 244 beschrieben, aufgetragen wird. Auch kann das Matrizenmaterial.durch Aufsprühen oder Auftragen mit einem Pinsel oder:einer Bürste auf die Oberfläche der Elektrode aufgebracht werden. Obschon durch dieses Verfahren die Handhabung separater Matrizenfolien enthält ist es jedoch schwierig eine gleichmässige Matrizendlck'e zu erhalten. Da eine gleichmässige Dicke nicht erhalten werden kann ist es notwendig unerwünscht dicke Stellen zuzulassen um zu gewährleisten, dass an den dünnsten Stellen genügend Matrizenmaterial vorliegt.

Obschon die Eigenschaften, welche Elektrolytmatrizen aufweisen , sollten, den Fachleuten seit längerer Zeit bekannt waren wurde bis-jetzt kein befriedigendes Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung einer solchen Matrize beschrieben.

Ein gut bekanntes Verfahren zur Auftragung dünner Schichten verschiedener Materialien auf verschiedene Substrate ist das Siebdruckverfahren· In der US Patentschrift 2 779 975 von Lee et al wird die Verwendung des Siebdruckverfahrens zur Herstellung elektrischer Komponenten wie Kondensatoren,, Spulen, Widerständen, gedruckter Schaltungen, und ähnlichoibeschrieben wobei eine jede Komponente aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist und die Schichten elektrisch verbunden sind. Wie aus der US Patentschrift 3 577 915 von Thompson hervorgeht kann der Siebdruck natürlich auch zur Auftragung von dekorativen Ueberzügen oder Einfärbungen der Seide verwendet werden.

Obsehon verschiedene Verwendungsmöglichkeiten des Siebdruckverfahrens bekannt waren.wurde die Verwendung dieses Verfahrens zur Auftragung von Matrizenmaterial auf die Oberfläche einer Elektrode weder beschrieben noch nahe gelegt. Die Fachleute nahmen in der Vergangenheit an, dass keine geeignete Matrize durch dieses Verfahren auf eine Elektrode aufgebracht werden konnte.

Die·vorliegende Erfindung beschreibt ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrolytmatrize. Die Elektrolytmatrizen der vorliegenden Erfindung sind besser als

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die bekannten Matrizen. Die durch das Verfahren der Erfindung auf die Elektrodenoberfläche aufgebrachten Elektrolytmatrizen sind dünner als bekannte Matrizen weisen jedoch alle notwendigen Matrizeneigenschaften auf.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Elektrolytmatrizen-

material durch Siebdruck auf die Oberfläche einer Elektrode aufeine
gebracht wobeiywassrige Auftraglosung verwendet wird.

Es wurde gefunden/ dass durch das Siebdruckverfahren dünnere, gleichmässigere, verbesserte Matrizen mit Bezug auf die bekannten Matrizen hergestellt werden können.

Die Fachleute befürchteten, dass das Siebbild nach dem Siebdruck auf der Oberfläche der Matrize zurückbleiben könnte wodurch eine uneinheitliche Dicke der Matrize erhalten worden wäre. Zusätzlich nahmen die Fachleute an, dass die grossen Partikel (um 5JU m im Durchmesser und grosser) des Matrizenmaterials die Sieböffnungen verstopfen könnten. Es wurde auch angenommen, dass die durch Siebdruck aufgebrachten Matrizen nicht alle erwünschten Eigenschaften aufweisen würden.

Obschon diese Befürchtungen sich als falsch erwiesen waren jedoch die ersten Versuche Matrizen durch Siebdruck auf Elektroden aufzubringen erfolglos. So setzte sich das Matrizenmaterial bei der Verwendung von Wasser als Auftragflüssigkeit rasch aus der Mischung ab wodurch die Sieböffnungen verstopft wurden und eine kontinuierliche Auftragung unmöglich wurde. Auch wurden hierbei uneinheitliche Matrizendicken erhalten. Die gut bekannten Auftraglösungen welche bei den meisten Siebdruckverfahren eingesetzt werden können, können nicht zur Auftragung von Matrizenmaterial auf Elektroden eingesetzt werden da sie den Katalysator angreifen oder vergiften. Einige der bekannten Auftraglösungen brennen sogar bei Raumtemperatur in Gegenwart von Platin oder eines weiteren Edelmetallkatalysators. Einige Auftraglösungen bedingen eine Verminderung des Kontaktwinkels zwischen dem Elektrolyten und dem hydrophoben Material in der Elektrode wodurch eine überflutete Katalysatorschicht erhalten wird. In der Literatur wurde noch keine Auftraglösung welche zur Herstellung von Elektrolytmatrizen im Siebdruckverfahren verwendet werden könnte beschrieben.

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Trotz dieser Probleme konnte jedoch ein wirtschaftliches Verfahren gefunden werden. Die Auftraglösung erwies sich als Schlüssel zu diesem Problem. Es'wurde nämlich gefunden, dass unter Verwendung einer Mischung aus Aethylenglycol und Wasser als Auftraglösung
eine sehr dünne Matrize, mit gleichmässiger Dicke und allen erwünschten Eigenschaften hergestellt werden konnte. Obschon
Glycol, auch in geringen Mengen, nicht in der Matrize vorliegen darf, da es den Katalysator vergiftet_/stellte dies kein Problem dar, da das Glycol und Wasser in einer Wärmebehandlung vollständig] aus der Matrize entfernt werden konnten. j

Obschon die Mischung Glycol-Wasser die erste Auftraglösung
stellte mit Hilfe welcher eine Matrize durch das Siebdruckverfahren auf die Elektrodenoberfläche aufgebracht werden konnte weist
diese Auftraglösung jedoch auch noch einige unerwünschte Eigenschaften auf. Zum einen ist es wünschenswert die Matrizen kontinuierlich herzustellen wobei eine Matrize nach der andern
so schnell wie möglich auf der gleichen Maschine hergestellt
wird. Das Matrizenmaterial setzt sich jedoch ziemlich schnell
aus der Glycol-Wasser-Auftraglösung ab so dass die nach der ersten Matrize hergestellten Matrizen nicht die gleiche einheitliche
Zusammensetzung wie die erste Matrize aufweisen. Durch das Absetzen des Matrizenmaterials aus der Auftiaglösung wurden auch die Sieböffnungen verstopft so dass der Sieb nach der Herstellung von 1 bis 2 Matrizen entfernt und gewaschen werden musste. Ein
weiterer Nachteil der Glycol-Wasser-Auftraglösung besteht darin, dass diese komplett aus der Matrize entfernt werden muss so dass eine Anzahl Wärmebehandlungs-und Trockenstufen benötigt werden. Somit ist die Herstellung einer solchen Matrize mit dem Glycol-Wasser gemischt ziemlich langwierig.

Somit wurden Anstrengungen unternommen um eine bessere Auftraglösung zu erhalten. Unerwarteterweise wurde gefunden, dass eine wässrige Lösung aus Polyäthylenoxyd weit bessere Resultate gewährleistet. Einer der Hauptvorteile der Polyäthylenoxydlösung
ist die Tatsache, dass das Matrizenmaterial über längere Zeit
in Dispersion bleibt. Auch werden die Sieböffnungen, sogar nach längerer Zeit, nicht mit dem Matrizenmaterial verstopft so dass eine fast unbegrenzte Anzahl Elektrolytmatrizen ohne Waschen des

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Siebes hergestellt werden kann. Es wurde auch gefunden, dass Polyäthylenoxyd den Katalysator nicht vergiftet. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit verschiedener Trocken- und Wärmebehandlungsstufen. Der Hauptanteil an Polyäthylenoxyd verdampft bei dem Sintern der Matrize und irgendwelche Reste können den Betrieb der Brennstoffzelle nicht beeinträchtigen. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurden kontinuierliche Matrixschichten von 50 bis 178 ^ in Dicke aufgetragen wobei die Dicke nur um ungefähr 25JUm variierte. Im Vergleich hierzu beträgt die minimale durchschnittliche Dicke einer durch das Papierherstellungsverfahren hergestellten₍Matrize ungefähr 203^m mit Schwankungen von ungefähr 50μ m. Matrizen einer Dicke von 121H m können aufgesprüht oder mit einer Bürste aufgetragen werden, die Schwankungen in der Dicke betragen jedoch hierbei ungefähr 50z/m. Es wurde bewiesen, dass Brennstoffzellen mit Matrizen gemäss der Erfindung eine bessere Leistung aufweisen als Brennstoffzellen welche mit bekannten Matrizen betrieben werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung, die Beispiele und die beiliegende Figur welche einen Querschnitt, nicht im Masstab, einer Brennstoffzelle darstellt.

Gemäss Figur 1 besteht die Brennstoffzelle 10 aus einem Paar Elektrode/Matrizeelementen 12 welche entlang der Oberfläche 14 aneinander anliegen und zwischen einem Paar Gastrennplatten 16,18 gehalten werden. Ein jedes Elektrode/Matrizenelement 12 besteht aus einer Elektrode 19 und einer Elektrolytmatrize 20. Die Elektrode 19 besteht aus einem Substrat 22 mit einer Katalysatorschicht 24. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Matrize 20 durch Siebdruck auf die Katalysatorschicht 24 auf der Elektrode 19 aufgebracht. Gemäss dieser Ausführungsform bildet die Platte 16 eine Brennstoffkammer 2 6 auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Elektrode 19 und die Platte 18 bildet eine Oxydationsmittelkammer 28 auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Elektrode 19. Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, aus einem Brennstoffvorrat 30 wird durch die Leitung 34 an den Einlass 32 der Kammer 26 geführt. Ein Oxydationsmittel, wie z.B. Luft, aus einem Vorrat 36 wird durch die Leitung 40 an den Einlass

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38 der Kammer 28 geführt. Die Elektrode!19 sind über eine Ladung 42 verbunden.

Gemäss dieser Ausführungsform bestanden die Substrate 22 der Elektroden aus Kohlenstoffpapier getränkt mit einem hydrophoben Mittel wie Polytetrafluoröathylen. Eine jede Katalysatorschicht 24 bestand aus einer Mischung aus Katalysator und Fluorkunststoff. Die Katalysatorschicht 24 kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren, wie z.Bi Aufsprühen, Filtrationsübertragung, usw. auf das Kohlenstoffpapiersubstrat 22 aufgetragen werden. Die Katalysatorschicht 24 erstreckt sich nicht ganz bis zum Rande des Substrates so dass rundum ein jedes Substrat eine katalysatorfreie Oberfläche 44 verbleibt. Die Matrixschicht 22 bedeckt die Katalysatorschicht 24 komplett und erstreckt sich auch bis an den Rand des Substrates 22 so dass die katalysatorfreie Oberfläche 44 von der Matrize verdeckt wird. Die nicht katalysierten Ränder des Substrates 22 werden behandelt so dass sie durch den in der Matrize 20 enthaltenden Elektrolyten benetzbar sind. Hierdurch wird rundum den Rand der Zelle 10 eine feuchte Abdichtung erhalten wodurch eine Entweichung der Reaktionsgase vermieden wird. Diese Abdichtung ist im einzelnen in der US Patentschrift 3 867 206 von Trocciola et al beschrieben.

Es wird daraufhingewiesen, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf eine besondere BrennstoffZellenstruktur, wie z.B. oben beschrieben, beschränkt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen nur auf ein neuartiges Herstellungsverfahren für Elektrolytmatrizen.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Matrize durch Siebdruck auf die Oberfläche einer Elektrode aufgebracht. Das Siebdruckverfahren kann auf einer auf dem Markt erhältlichen Siebdruckmaschine wie z.B. "Compact 4" von Argon Service Ltd., Milano, Italy,hergestellt werden. Die Elektrode auf welche die Matrize aufgebracht werden soll wird auf dem Tisch der Siebdruckmaschine befestigt. Das Sieb wird auf die Oberfläche der Elektrode gesenkt. Eine Mischung aus Auftraglösung und Matrizenmaterial .wird durch Vermischen des geeigneten Matrizenmaterials mit einer flüssigen Auftraglösung hergestellt. Dann wird das Sieb mit der Mischung aus Auftraglösung und Matrizenmaterial bedeckt.

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Ein leichter Druck wird auf das Sieb ausgeübt so dass das Matrizenmaterial und die Auftraglösung durch die Oeffnungen des Siebes auf die Elektrode gelangen. Hierdurch wird auch erreicht, dass das Sieb komplett mit der Auftragmischung bedeckt ist. Ein stärkerer Druck wird nun auf das Sieb ausgeübt, wie z.B. mit Hilfe eines biegsamen Spachtels (i.e. Gummitrockner). Dieses Verfahren ist natürlich gut aus dem Siebdruckverfahren bekannt. Somit gelangt die Auftragmischung von dem Sieb auf die Oberfläche der Elektrode. Die Stufen 4 bis 6 können einige Male wiederholt werden um die erwünschte Matrizendicke zu erhalten. Wie bekannt wird der Spachtel in dem Sieb hin und her geführt wobei die Anzahl der Passagen von der Viskosität der Auftragmischung, der Dicke des Siebes, der Grosse der Sieböffnungen, dem auf den Gummitrockner ausgeübten Druck, und die Gleichmässigkeit der Elektrodenoberfläche,auf welche die Matrize aufgetragen werden sollte,abhängt. Das Sieb wird von der Elektrode entfernt. Die Elektrode wird aus der Maschine entfernt, getrocknet und in der Wärme behandelt um den grössten Anteil der Auftraglösung zu entfernen und die erwünschten Matrizeneigenschaften zu erhalten.

Unerwarteterweise wurde gefunden, dass sich eine wässrige Lösung von Äthylenglycol oder Polyäthylenoxyd, wobei Polyäthylenoxyd bevorzugt wird, ausgezeichnet als Auftraglösung für das oben beschriebene Siebdruckverfahren eignet.

Beispiel I

Eine wässrige Lösung aus Äthylenglycol wurde als Auftraglösung bei der Herstellung einer Elektrolytmatrize verwendet. Ein neuartiges Matrizenmaterial₍ welches in einer weiteren Anmeldung der Anmelderin beschrieben ist₍ wurde verwendet i.e. 96 Gew.% Siliziumkarbidpulver in Mischung mit einem Polytetrafluoroathylenbindemittel. Das Matrizenmaterial wurde mit der Auftraglösung in einem Gewichtsverhältnis von 2 Teilen Matrizenmaterial zu einem Teil Auftraglösung vermischt. Die Auftraglösung bestand hierbei aus 32 Gew.Teilen Wasser und 20 Gew.% Aethylenglycol. Das verwendete Siliziumkarbid war Green 1000 Grit ^ der Carborundum Company und als Polytetrafluoroathylen wurde TFE 3170 von Dupont verwendet welches eine Mischung aus PoIy-

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- 9 tetrafluoroäthylen mit einem oberflächenaktiven Mittel ist.

Durch die oben beschriebenen Verhältnisse wird die Viskosität | der Auftragmischung bestimmt. Diese Verhältnisse wurden für diesel Beispiel ausgewählt da hierbei gute Resultate erzielt werden _; konnten. Die Verhältnisse für weitere Ausführungsformen hängen ] von dem Substrat, dem Matrizenmaterial, den Grossen der Oeffnunger} des Siebes und weiteren Variablen ab. Diese Verhältnisse können

leicht experimentell von den Fachleuten bestimmt werden. ;

Die oben beschriebene Auftragmischung wurde in einem Siebdruck- !

verfahren eingesetzt mit welchem eine Matrizeschicht auf die

Oberfläche einer Gasdiffusionselektrode_; mit einer Katalysator-

beschichtung von 0,5 mg/cm Platin auf Kohlenstoffsubstrat, aufge- ' bracht wurde. Das in den Verfahren verwendete Sieb bestand aus
Nylon und wies Oeffnungen von ungefähr 0,250 mm auf. Nachdem das
Matrizenmaterial· auf die Elektrode aufgebracht worden war wurde
die Elektrode in der Luft bei 66°C getrocknet um das Wasser zu
entfernen. Die Elektrode/Matrizeneinheit wurde alsdann
während 2 Stunden auf 204 C erwärmt um das Glycol aus der Matrize
zu entfernen. Die Matrize wurde alsdann 15 Minuten in
Isopropanol gewaschen um das oberflächenaktive Mittel zu entfernen und wieder in der Luft bei 66 C getrocknet um das Isopropanol zu entfernen. Die Elektroden/Matrizeneinheit
wurde alsdann während 15 Minuten im Wasser gewaschen um das
restliche Isopropanol zu entfernen und in der Luft bei 66 C
getrocknet um das Wasser zu entfernen. Die so erhaltene Matrize
wurde bei einer Temperatur von 26O°C während 13 Minuten gesintert
wodurch eine gute Adhäsion der Siliconkarbidpartikel zu dem
Bindemittel erhalten wurde. Gemäss der vorliegenden Erfindung
; bedeutet der Ausdruck "sintern" eine erhöhte Temperatur so dass ' j die Matrizenpartikel· sich mit dem Bindemittel· verbinden.

Die so auf die Eiektrode aufgetragene Matrize wurde untersucht ; und es wurde gefunden, dass diese Matrize keine Fehiste^en aufwies. Die Durchschnittsdicke betrug 76 υ m mit einer Schwankung

von nicht mehr ais 25 y m. Der Bl·asendruck betrug 0,07-0^0 !

kg/cm . Die El·ektrol·ytmatrize konnte durch Absorption benetzt j werden, wobei mit 85%iger Η-,ΡΟ eine Benetzbarkeit von i4 cm i

j 4

; in i6 Stunden bei Raumtemperatur erhaiten wurde. ;

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Ein Paar dieser Elektrode/Matrizenelemente wurden in einer Zelle zusammengefügt und mit 102 Gew.%iger HoPO₄ als Elektrolyt untersucht. Bei dieser Versuchsreihe wurden sowohl H- als auch O₂ als Reaktionsmittel wie auch RM-I (umgeformtes natürliches Gas der folgenden Zusammensetzung: 80% H-, 1,7% CO und 38,3% CO₂) und Luft als Reaktionsmittel verwendet . Die ohmschen Verluste der

2
Zelle betrugen 24 mV/107 mA/cm . Die Leistung der Zelle ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Zellenspannung (Volt)

2 Reaktionsmittel 0/C* 107 214 321 mA/cm

H₂, O₂ 1,023 0,750 0,687 0,636

RM-I, Luft 0,980 0,680 0,600 0,532

* 0/C = Offener Kreislauf

Zellen dieses Typs wurden während 7000 Stunden

ohne wesentliche Matrizenzersetzung betrieben. Es wird angenommen, dass eine solche Matrizenstruktur eine Lebensdauer von minimal 40 000 Betriebsstunden hat.

Beispiel II

Gemäss dem Verfahren des Beispieles I wurde eine SLliziumkarbidelektrolytmatrize hergestellt. In diesem Beispiel wurde jedoch eine wässrige Lösung von Polyäthylenoxyd als Auftraglösung verwendet. Die Auftraglösung enthielt 99 Gew. Teile Wasser und ein Gew.Teil Polyäthylenoxyd.

Das Matrizenmaterial wurde in einem Verhältnis von 60 Gew.Teilen Matrizenmaterial· zu 40 Gew. Teilen Auftraglösung mit der Auftragiösung vermischt.

Nach der Auftragung der Matrize wurde das Elektrode/Matrizenelement in einem infrarot Ofen unterhalb der Sintertemperatur getrocknet und bei einer Temperatur von 299 C während 2 Minuten gesintert wobei eine gute Adhäsion der Silxciumcarbidpartikel an das Bindemittel erhaiten wurde. Die Matrize auf dieser Eiektrode wurde untersucht und es wurde gefunden, dass diese frei von Fehiste^en war. Die durchschnittliche Dicke betrug 76 υ m mit einer Schwankung von nicht mehr als 25 ^ m. Der Blasendruck betrug

2 '

0,2 bis 0,4 kg/cm und die Benetzbarkeit 17,8 cm in 16 Stunden bei Raumtemperatur bei 85%iger H-.PO..

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Diese Benetzbarkeit der Matrize ist wesentlich besser als jene der Matrizen welche durch das Siebdruckverfahren in Gegenwart einer Wasser-Ätiylenglycolauf traglösung hergestellt werden können. Diese bessere Benetzbarkeit konnte bis jetzt noch nicht erklärt werden.

Ein Paar dieser Elektrode/Matrizenelemente wurden in einer Zelle zusammengesetzt. Die Zelle wurde mit Hilfe von 102 Gew.%iger H3PO. als Elektrolyten und H₂ und O₂ als Reaktionsmittel sowie RM-I (umgeformtes natürliches Gas der folgenden Zusammensetzung: 80% H₂, 1,7% GO und 18,3% CO₃) und Luft als Reaktionsmittel

betrieben. Die ohmschen Verluste der Zellen betrugen 16 mV/107

2
mA/cm . Die Zellenleistung geht aus der folgenden Tabelle hervor:

Zellenleistung (mV )

Reaktionsmittel 107 214 321 mA/cm²

H₂, O₂ 765 715 678

RM-I, Luft 700 642 594

Zellen dieses Typs wurden während 15 000 Stunden ohne wesentliche Matrizenverfall betrieben. Es wird angenommen, dass eine solche Matrizenstruktur eine Lebensdauer von minimal 40 000 Betriebsstunden hat.

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Claims

Patentansprüche

(1. Verfahren zur Herstellung eines Elektroden/Matrizenelementes für Brennstoffzellen gekennzeichnet durch folgende Stufen:

Auftragung einer Elektrolytmatrize durch Siebdruck auf die 0 ber fläche einer Brennstoffzellenelektrode, wobei eine Mischung aus einer geeigneten wässrigen Auftraglösung und einem Matrizenmaterial hergestellt und durch ein Sieb auf die Oberfläche der Elektrode aufgebracht wird; und
Wärmebehandlung der so hergestellten Matrize.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Gasdiffusionselektrode ist und eine Katalysatorschicht auf der Oberfläche, auf welche die Matrize aufgetragen wird, aufweist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Auftraglösung eine wässrige Lösung ^von Aethylenglycol verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Auftraglösung eine wässrige Lösung von Polyäthylenoxyd verwendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenmaterial ein Bindemittel umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrizenmaterial Siliziumkarbid verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

Hbe dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmihandlung der grösste Anteil der Auftraglösung aus der Matrize entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize bei der Wärmebehandlung gesintert wird.

_:
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung eine gleich- ; massige, einheitliche Matrize auf der Elektrode erhalten wird ' und die Dicke um nicht mehr als 25/*m schwankt. -.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

] dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize auf der Elektrode nach ' der Wärmebehandlung eine Dicke unterhalb 178/v m aufweist.

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