DE2638987A1 - SCREEN PRINTED ELECTROLYTE MATRIXES - Google Patents

SCREEN PRINTED ELECTROLYTE MATRIXES

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DE2638987A1
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Germany
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die
electrode
matrix
application
heat treatment
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DE19762638987
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German (de)
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Dan Elliott Elmore
Ronald J Stosak
John Charles Trocciola
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Raytheon Technologies Corp
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United Technologies Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

Durch Siebdruck hergestellte Elektrolytmatrizen.Electrolyte matrices made by screen printing.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf neuartige Verfahren zur Herstellung von Elektrolytmatrizen.The present invention relates to fuel cells and in particular on novel processes for the production of electrolyte matrices.

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.Fuel cells for producing electrical energy from one Fuel and an oxidizer are well known. These known cells generally comprise a housing, a Oxidizing agent electrode, a fuel electrode and an electrolyte lying between these electrodes. As an electrolyte can be a solid, a melted paste, a free flowing Liquid or a liquid in a die can be used. The present invention relates to such fuels cell electrolyte matrices.

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 dieTo ensure optimal performance in liquid fuel cells, the die must have various properties. So Ί ϊε matrix should be hydrophilic. The die should also not have any flaws in order to avoid gas transfer and mixing of the reaction gases in the fuel cell. The template should be as thin as possible to keep the power losses through the electrolyte minimal Zn. Intimate contact between the die and the electrode surfaces is necessary to obtain maximum catalyst utilization. Also should the

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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.Die have a uniform thickness because they are uneven ; Electrodes cause poor current distribution and thus a reduction in performance. The pore size distribution of the die should also be adjusted to avoid gas transfer and to ensure good distribution of the electrolyte in the cell.

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.It's not easy to get these properties, and that Problem is compounded by the fact that choosing the most appropriate Materials is limited. The materials must be chemically and thermally stable at the cell operating temperatures, they must not poison the catalyst and must have a high electronic resistance. Also should be the die be able to be produced in an economical process if possible.

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.In an economically known method of making matrices, papermaking processes have been used where the The die is in the form of a sheet and is more like a fuel cell or a fuel cell system between the electrodes was attached. US Pat. No. 3,407,249 describes the manufacture of sheets or foils from fibrillated polytetrafluoroethylene described. US Pat. No. 3,627,859 to Mesite et al describes the manufacture of a matrix from cellulose fibers in admixture described with a fluorocarbon plastic. The US patent 3 694 310 by Emanuelson et al describes the production of mats from phenolic resin fibers which are made with a phenolic additive resin are coated.

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-The mechanical attachment of the die between the electrodes has the disadvantage, regardless of the die material selected, that there is not necessarily intimate contact between the die and the electrode over the entire surface of the electrode

Diethe

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.and the die is obtained by the papermaking process The matrices produced also have the disadvantage that the properties are lost in the case of thin matrices avoid gas transfer. Even if the thinnest possible die material could be made, it would be extremely difficult or even impossible to use this sheet or slide. handle.

Die Nachteile der Papierherstellungsverfahren können durch einThe disadvantages of papermaking processes can be due to a

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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.Processes are avoided according to which the die is placed directly on the surface of an electrode by dipping the electrode in an aqueous solution of the matrix material as in Blanc et al U.S. Patent 3,022,244. Also can Matrix material, applied to the surface of the electrode by spraying or applying with a brush or: a brush will. Although this procedure makes the handling separate However, if it contains matrix foils, it is difficult to obtain a uniform matrix thickness. Since a uniform thickness is not it is necessary to allow undesirably thick places to ensure that there is enough in the thinnest places Die material is present.

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.Although the properties that electrolyte matrices have, should have been known to those skilled in the art for a long time, has not been a satisfactory process for economic up to now Production of such a die is described.

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.A well known method of applying thin layers of different materials to different substrates is this Screen Printing Process · US Pat. No. 2,779,975 to Lee et al discloses the use of screen printing to manufacture electrical components such as capacitors, coils, resistors, printed circuits, and the like, where a each component is made up of different layers and the layers are electrically connected. As shown in US Pat. No. 3,577,915 to Thompson, screen printing can of course also be used to apply decorative coatings or dye the silk.

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.Regardless of the various uses of the screen printing process were known.wurde the use of this method for the application of die material on the surface of a Electrode neither described nor suggested. In the past, those skilled in the art believed that no suitable die could be produced by this Method could be applied to an electrode.

Die·vorliegende Erfindung beschreibt ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrolytmatrize. Die Elektrolytmatrizen der vorliegenden Erfindung sind besser alsThe present invention describes an economical process for the production of a fuel cell electrolyte matrix. The electrolyte matrices of the present invention are better than

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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.the known matrices. The electrolyte matrices applied to the electrode surface by the method of the invention are thinner than known matrices but have all the necessary matrix properties.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Elektrolytmatrizen-According to the present invention, the electrolyte matrix

material durch Siebdruck auf die Oberfläche einer Elektrode aufeine
gebracht wobeiywassrige Auftraglosung verwendet wird.
material by screen printing onto the surface of an electrode
brought with aqueous application solution is used.

Es wurde gefunden/ dass durch das Siebdruckverfahren dünnere, gleichmässigere, verbesserte Matrizen mit Bezug auf die bekannten Matrizen hergestellt werden können.It was found / that thinner, more uniform, improved matrices with respect to the known ones through the screen printing process Matrices can be made.

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.Those skilled in the art feared that the screen image could remain on the surface of the stencil after screen printing, which would result in a non-uniform thickness of the stencil. In addition, the experts assumed that the large particles (around 5 JU m in diameter and larger) of the matrix material could clog the sieve openings. It was also believed that the screen printed matrices would not have all of the desirable properties.

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.However, although these fears were proven wrong the first attempts to apply matrices to electrodes by screen printing were unsuccessful. So the die material settled in the Use of water as the application liquid from the mixture quickly causing the sieve openings to be clogged and a continuous application became impossible. Inconsistent die thicknesses were also obtained here. The well-known order solutions which can be used in most screen printing processes, cannot be used to apply matrix material used on electrodes as they attack or poison the catalyst. Some of the well-known application solutions even burn at room temperature in the presence of platinum or another noble metal catalyst. Some order solutions require one Decreasing the contact angle between the electrolyte and the hydrophobic material in the electrode causing a flooded Catalyst layer is obtained. In the literature it was still no application solution which could be used for the production of electrolyte matrices in the screen printing process is described.

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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
However, despite these problems, an economical process has been found. Mission resolution proved key to this problem. It was found that using a mixture of ethylene glycol and water as the application solution
a very thin die with a uniform thickness and all the desired properties could be produced. Although
Glycol, even in small quantities, must not be present in the die, as it poisons the catalyst / this was not a problem, since the glycol and water could be completely removed from the die in a heat treatment. 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.
Although the glycol-water mixture is the first application solution
presented with the help of which a matrix could be applied to the electrode surface by the screen printing process
However, this application solution also has some undesirable properties. On the one hand, it is desirable to produce the dies continuously, one die after the other
made as quickly as possible on the same machine
will. However, the die material sets quite quickly
from the glycol-water application solution so that the matrices produced after the first matrix are not the same uniform
Composition like the first die. The settling of the matrix material from the application solution also blocked the sieve openings so that the sieve had to be removed and washed after 1 to 2 matrices had been produced. A
Another disadvantage of the glycol-water application solution is that it has to be completely removed from the die, so that a number of heat treatment and drying stages are required. Thus, the production of such a matrix mixed with the glycol water is rather tedious.

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
Thus, efforts have been made to obtain a better job solution. Unexpectedly, it was found that an aqueous solution of polyethylene oxide ensures far better results. One of the main advantages of the polyethylene oxide solution
is the fact that the die material lasts for a long time
remains in dispersion. The sieve openings are not clogged with the matrix material, even after a long period of time, so that an almost unlimited number of electrolyte matrices can be used without washing the

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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.Sieves can be manufactured. It was also found that polyethylene oxide does not poison the catalyst. This eliminates the need for various drying and heat treatment stages. Most of the polyethylene oxide evaporates when the die is sintered and any residues cannot affect the operation of the fuel cell. By the method of the present invention, continuous matrix layers from 50 to 178 ^ in thickness were applied with the thickness varying only about 25 µm. In comparison, the minimum average thickness of a die produced by the papermaking process ( die is approximately 203 ^ m with fluctuations of approximately 50 μm. Matrices with a thickness of 121H m can be sprayed on or applied with a brush, but the fluctuations in thickness are approximately It has been proven that fuel cells with matrices according to the invention have a better performance than fuel cells which are operated with known matrices.

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.For a better understanding of the invention, reference is made to the following description, the examples and the accompanying one Figure which shows a cross-section, not to scale, of a fuel cell.

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 EinlassAccording to Figure 1, the fuel cell 10 consists of a pair Electrode / die elements 12 which abut one another along surface 14 and between a pair of gas separation plates 16, 18 being held. Each electrode / die element 12 consists of an electrode 19 and an electrolyte die 20. Die Electrode 19 consists of a substrate 22 with a catalyst layer 24. According to the present invention, the die 20 applied to the catalyst layer 24 on the electrode 19 by screen printing. According to this embodiment, the plate forms 16 a fuel chamber 26 on the side of the electrode 19 facing away from the electrolyte, and the plate 18 forms an oxidizing agent chamber 28 on the side of the electrode 19 facing away from the electrolyte. Fuel, such as hydrogen, from a Fuel supply 30 is fed through line 34 to inlet 32 of chamber 26. An oxidizing agent, e.g. Air, from a supply 36, is supplied through line 40 to the inlet

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38 der Kammer 28 geführt. Die Elektrode!19 sind über eine Ladung 42 verbunden.38 of the chamber 28 out. The electrode! 19 are over a charge 42 connected.

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.According to this embodiment, the substrates 22 passed Carbon paper electrodes impregnated with a hydrophobic Agents such as polytetrafluoroethylene. Each catalyst layer 24 consisted of a mixture of catalyst and fluoroplastic. The catalyst layer 24 can be made by any known one Methods such as spraying, filtration transfer, etc. can be applied to the carbon paper substrate 22. the Catalyst layer 24 does not extend all the way to the edge of the substrate, so that a catalyst-free all around each substrate Surface 44 remains. The matrix layer 22 covers the catalyst layer 24 completely and also extends to the edge of the substrate 22 so that the catalyst-free surface 44 is covered by the die. The uncatalyzed edges of the substrate 22 are treated so that they are exposed to the in the Matrix 20 containing electrolytes are wettable. In this way, a moist seal is obtained all around the edge of the cell 10 whereby an escape of the reaction gases is avoided. This seal is described in detail in U.S. Patent 3,867,206 to Trocciola et al.

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.It should be noted that the present invention does not rely on a special fuel cell structure, e.g. described above, limited. The present invention relates generally only to a novel manufacturing process for electrolyte matrices.

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.According to the present invention, the matrix is applied to the surface of an electrode by screen printing. The screen printing process can be on a screen printing machine available on the market such as "Compact 4" from Argon Service Ltd., Milano, Italy. The electrode on which the The die to be applied is placed on the table of the screen printing machine attached. The sieve is lowered onto the surface of the electrode. A mixture of application solution and die material . is made by mixing the appropriate matrix material with made of a liquid application solution. Then the sieve covered with the mixture of application solution and matrix material.

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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. A slight pressure is exerted on the screen so that the matrix material and the application solution through the openings of the Sieves to get onto the electrode. This also ensures that the sieve is completely covered with the application mixture. A stronger pressure is now exerted on the screen, e.g. with the help of a flexible spatula (i.e. rubber dryer). This process is of course well known from the screen printing process. The application mixture thus passes from the sieve to the Surface of the electrode. Steps 4 to 6 can be repeated a few times in order to obtain the desired die thickness. As is known, the spatula is moved back and forth in the sieve, the number of passes depending on the viscosity of the application mixture, the thickness of the screen, the size of the screen openings, the pressure exerted on the rubber dryer, and the evenness the electrode surface on which the die is applied should be depends. The sieve is removed from the electrode. The electrode is removed from the machine, dried and Heat treated to remove most of the application solution and to maintain the desired matrix properties.

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.Unexpectedly, it was found that an aqueous solution of ethylene glycol or polyethylene oxide, with polyethylene oxide is preferred, is excellently suited as an application solution for the screen printing process described above.

Beispiel IExample 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-An aqueous solution of ethylene glycol was used as an application solution in the manufacture of an electrolyte matrix. A novel matrix material ( which is described in a further application by the applicant ( was used ie 96% by weight silicon carbide powder mixed with a polytetrafluoroethylene binder). The matrix material was mixed with the application solution in a weight ratio of 2 parts of matrix material to one part of application solution here from 32 parts by weight of water and 20% by weight of ethylene glycol. The silicon carbide used was Green 1000 Grit ^ from the Carborundum Company and the polytetrafluoroethylene used was TFE 3170 from Dupont, which is a mixture of poly-

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- 9 tetrafluoroäthylen mit einem oberflächenaktiven Mittel ist.- 9 is tetrafluoroethylene with a surfactant.

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 könnenThe above-described relationships make the viscosity | determined by the application mix. These ratios were selected for this example because good results are achieved here ; could. The ratios for other embodiments depend] on the substrate, the matrix material, the Great of Oeffnunger} of the wire and other variables. These ratios can

leicht experimentell von den Fachleuten bestimmt werden. ;can easily be determined experimentally by those skilled in the art. ;

Die oben beschriebene Auftragmischung wurde in einem Siebdruck- !The application mixture described above was in a screen printing!

verfahren eingesetzt mit welchem eine Matrizeschicht auf diemethod used with which a matrix layer on the

Oberfläche einer Gasdiffusionselektrode; mit einer Katalysator-Surface of a gas diffusion electrode ; with a catalyst

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.
coating of 0.5 mg / cm platinum on carbon substrate, ' was applied. The sieve used in the procedures consisted of
Nylon and had openings of about 0.250 mm. After that
Die material had been applied to the electrode
the electrode dried in the air at 66 ° C to remove the water
remove. The electrode / die unit was then
heated to 204 ° C. for 2 hours to remove the glycol from the die
to remove. The die was then held in for 15 minutes
Washed isopropanol to remove the surfactant and dried again in the air at 66 C to remove the isopropanol. The electrode / matrix unit
was then washed in water for 15 minutes
remove remaining isopropanol and leave in the air at 66 C
dried to remove the water. The die thus obtained
was sintered at a temperature of 260 ° C. for 13 minutes
whereby good adhesion of the silicone carbide particles to the
Binder was obtained. According to the present invention
; the term "sintering" means an elevated temperature so that the matrix particles combine with the binder.

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 SchwankungThe matrix thus applied to the electrode was examined; and it was found that this matrix had no defects. The average thickness was 76 ½ m with a variation

von nicht mehr ais 25 y m. Der Bl·asendruck betrug 0,07-0^0 !of no more ais 25 y m. The Bl · asendruck was 0.07 to 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 ikg / cm. The electrolyte matrix could be wetted by absorption with 85% Η-, ΡΟ a wettability of i4 cm i

j 4j 4

; in i6 Stunden bei Raumtemperatur erhaiten wurde. ;; was obtained in 16 hours at room temperature. ;

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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 derA pair of these electrode / die elements were assembled in a cell and tested with 102% strength by weight HoPO 4 as the electrolyte. In this series of experiments, both H and O 2 were used as reactants, as well as RM-I (transformed natural gas with the following composition: 80% H-, 1.7% CO and 38.3% CO 2 ) and air as the reactant. The ohmic losses of the

2
Zelle betrugen 24 mV/107 mA/cm . Die Leistung der Zelle ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
2
Cell were 24 mV / 107 mA / cm. The cell's performance is shown in the table below:

Zellenspannung (Volt)Cell voltage (volts)

2 Reaktionsmittel 0/C* 107 214 321 mA/cm2 reactants 0 / C * 107 214 321 mA / cm

H2, O2 1,023 0,750 0,687 0,636H 2 , O 2 1.023 0.750 0.687 0.636

RM-I, Luft 0,980 0,680 0,600 0,532RM-I, air 0.980 0.680 0.600 0.532

* 0/C = Offener Kreislauf* 0 / C = open circuit

Zellen dieses Typs wurden während 7000 StundenCells of this type were used for 7000 hours

ohne wesentliche Matrizenzersetzung betrieben. Es wird angenommen, dass eine solche Matrizenstruktur eine Lebensdauer von minimal 40 000 Betriebsstunden hat.operated without substantial matrix replacement. It is believed, that such a matrix structure has a service life of at least 40,000 operating hours.

Beispiel IIExample 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.Following the procedure of Example I, a silicon carbide electrolyte matrix was made. In this Example, however, an aqueous solution of polyethylene oxide was used as the application solution. The application solution contained 99 wt. Parts water and one part by weight polyethylene oxide.

Das Matrizenmaterial wurde in einem Verhältnis von 60 Gew.Teilen Matrizenmaterial· zu 40 Gew. Teilen Auftraglösung mit der Auftragiösung vermischt.The matrix material was in a proportion of 60 parts by weight Matrix material · 40 parts by weight of application solution mixed with the application solution.

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 betrugAfter applying the die, the electrode / die element dried in an infrared oven below the sintering temperature and at a temperature of 299 C for 2 minutes sintered with good adhesion of the silicon carbide particles to the binder. The die on this electrode was examined and found to be free from defects. The average thickness was 76 υ m with a fluctuation of not more than 25 ^ m. The bladder pressure was

2 '2 '

0,2 bis 0,4 kg/cm und die Benetzbarkeit 17,8 cm in 16 Stunden bei Raumtemperatur bei 85%iger H-.PO..0.2 to 0.4 kg / cm and the wettability 17.8 cm in 16 hours at room temperature at 85% 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.This wettability of the matrix is significantly better than that of the matrices which are produced by the screen printing process in the presence a water-ethylene glycol application solution can be prepared. This better wettability could not yet be explained.

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 ReaktionsmittelA pair of these electrode / die members were assembled in one cell. The cell was with the help of 102 wt.% H3PO. as electrolytes and H 2 and O 2 as reactants as well as RM-I (transformed natural gas with the following composition: 80% H 2 , 1.7% GO and 18.3% CO 3 ) and air as reactants

betrieben. Die ohmschen Verluste der Zellen betrugen 16 mV/107operated. The ohmic losses of the cells were 16 mV / 107

2
mA/cm . Die Zellenleistung geht aus der folgenden Tabelle hervor:
2
mA / cm. The cell performance is shown in the following table:

Zellenleistung (mV )Cell power (mV)

Reaktionsmittel 107 214 321 mA/cm2 Reagent 107 214 321 mA / cm 2

H2, O2 765 715 678H 2 , O 2 765 715 678

RM-I, Luft 700 642 594RM-I, air 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.Cells of this type were used for 15,000 hours operated without significant die decay. It is believed that such a die structure has a life span of minimal 40,000 hours of operation.

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Claims (10)

PatentansprücheClaims (1. Verfahren zur Herstellung eines Elektroden/Matrizenelementes für Brennstoffzellen gekennzeichnet durch folgende Stufen:(1. A method for producing an electrode / die element for fuel cells, characterized by the following Stages: 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.
Application of an electrolyte matrix by screen printing on the surface of a fuel cell electrode, a mixture of a suitable aqueous application solution and a matrix material being produced and applied to the surface of the electrode through a screen; and
Heat treatment of the die produced in this way.
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.2. The method according to claim 1, characterized in that the electrode is a gas diffusion electrode and one Has catalyst layer on the surface to which the die is applied. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Auftraglösung eine wässrige Lösung von Aethylenglycol verwendet wird.3. The method according to claims 1 to 2, characterized in that an aqueous solution of ethylene glycol is used as the application solution. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Auftraglösung eine wässrige Lösung von Polyäthylenoxyd verwendet wird.4. The method according to claims 1 to 2, characterized in that the application solution is an aqueous solution of Polyethylene oxide is used. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenmaterial ein Bindemittel umfasst. 5. The method according to claims 1 to 4, characterized characterized in that the matrix material comprises a binder. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrizenmaterial Siliziumkarbid verwendet wird.6. The method according to claim 5, characterized in that silicon carbide is used as the die material. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,7. The method according to any one of claims 1 to 6, Hbe dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmihandlung der grösste Anteil der Auftraglösung aus der Matrize entfernt wird.Hbe characterized by the fact that the heat treatment is the greatest Part of the application solution is removed from the die. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize bei der Wärmebehandlung gesintert wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the die is sintered during the heat treatment. :: 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,9. The method according to any one of claims 1 to 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. -. characterized in that after the heat treatment an equal; massive, uniform matrix is obtained on the electrode and the thickness does not vary by more than 25 / * m. -. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,10. The method according to any one of claims 1 to 9, ] dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize auf der Elektrode nach ' der Wärmebehandlung eine Dicke unterhalb 178/v m aufweist. ] characterized in that the die on the electrode has a thickness of less than 178 μm after the heat treatment. 709810/0878709810/0878
DE19762638987 1975-09-02 1976-08-30 SCREEN PRINTED ELECTROLYTE MATRIXES Withdrawn DE2638987A1 (en)

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FR2323240A1 (en) 1977-04-01
GB1510076A (en) 1978-05-10
FR2323240B1 (en) 1980-05-30
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