DE3835336A1

DE3835336A1 - Composit-elektrode zur verwendung in elektrochemischen zellen

Info

Publication number: DE3835336A1
Application number: DE3835336A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Ernest Vanderborgh; James Robert Huff; Johna Prof Leddy
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1989-04-27
Also published as: JPH01143151A; CA1307819C; US4804592A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zusammengesetzte Elektrode (Compositelektrode) zur Verwendung in elektrochemischen Zellen und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Composit elektrode zur Verwendung in Brennstoffzellen, wie beispiels weise Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen.

Bestimmte Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elek trische Energie um, und zwar durch Reaktion unterschiedlicher Gase an elektrokatalytischen Oberflächen auf Anoden- und Ka thodenelektroden, die auf entgegengesetzten Seiten einer Io nenaustauschmembran angeordnet sind. Im allgemeinen wird das in die Anode eingeführte Gas als ein Brennstoff kategorisiert, wohingegen das in die Kathode eingeführte Gas als ein Oxida tionsmittel bezeichnet wird. Verwendet man Wasserstoff/Sauer stoff-Festelektrolytbrennstoffzellen zur Veranschaulichung, so wird Wasserstoff über einen gasförmigen Strom zur Anodenseite einer Ionenaustauschmembran eingeführt und wird elektroche misch in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators oxidiert, wie beispielsweise in Anwesenheit von Platin oder einer Pla tinlegierung, und zwar gemäß der folgenden allgemeinen Reak tionsgleichung:

H₂ = 2 H⁺ + 2 Elektronen (1)

Sauerstoff wird in die Kathodenseite der ionenleitenden Mem bran in einem zweiten gasförmigen Strom eingeführt und elek trochemisch entsprechend der folgenden allgemeinen Reaktions gleichung reduziert:

O₂ + 4 H⁺ + 4 Elektronen = 2 H₂O (2)

Konventionellerweise werden Brennstoffzellen aufgebaut durch Positionierung einer Ionenaustauschmembran innerhalb einer Reaktionskammer zur Definition eines Anodenabteils auf einer Seite der Ionenaustauschmembran und eines Kathodenabteils auf der anderen Seite der Ionenaustauschmembran. Elektroden sind in jedem Abteil positioniert und die Kammer ist mit geeigneten Sammelleitungen für die Einführung von gasförmigen Strömen in die Anoden- und Kathodenabteile ausgerüstet. Die Reaktionskam mer besitzt auch Auslässe für das entstehende Wasser und jed wede nicht zur Reaktion gebrachten Gase. Die Ionenaustausch membran ist eine permselektive Ionentransportmembran, d. h. sie transportiert selektiv nur Anionen oder Kationen, abhängig von der Ladung von Gruppen, gebunden innerhalb der Polymerma trix der Ionenaustauschmembran. In einer Wasserstoff/Sauer stoff-Brennstoffzelle werden während der elektrochemischen Oxidation des Wasserstoffs freigesettze Protonen selektiv durch die Ionenaustauschmembran transportiert. Traditioneller weise waren die in Brennstoffzellen verwendeten Elektroden mit einem Elektrokatalysator überzogen oder bestanden aus einem Elektrokatalysator, wie beispielsweise Platin oder einer Pla tin enthaltenden Verbindung, um so die Geschwindigkeit der elektrochemischen Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die in den Anoden- bzw. Kathodenabteilen auftreten, zu erhöhen. Die in dem Anodenabteil erzeugten Elektronen werden durch einen Stromkollektor gesammelt und werden durch einen externen Kreis, der eine Last enthält, zum Kathodenabteil transpor tiert. Stromkollektoren können aus irgendeinem geeigneten elektrisch leitenden Material aufgebaut sein, wie beispiels weise irgendeinem stabilen Metall oder Kohlenstoffschwarz (Gasruß). Das Material, aus dem die Reaktionskammer aufgebaut ist, arbeitet häufig als der Stromkollektor. Konventionell aufgebaute Brennstoffzellen können mit annähernd 60% Wir kungsgrad arbeiten, d. h. sie wandeln annähernd 60% der ver fügbaren chemischen Energie in dem reagierenden Brennstoff in Elektrizität um, während die verbleibenden 40% in thermische Energie umgewandelt werden.

Der Brennstoffzellenbetrieb umfaßt drei gesonderte Transportar ten. Als erstes die Einführung von Reaktionsgasen in die Brennstoffzelle, beispielsweise eine Wasserstoff/Sauerstoff -Brennstoffzelle, von einer Versorgungsquelle und die Bewegung dieser Gase durch die Brennstoffzelle während des Betriebs, wobei hier der molekulare Transport vorhanden ist. Auch die Bewegung von Wasser, gebildet als Resultat der elektrochemi schen Reduktion von Sauerstoff entsprechend Reaktion (2) in nerhalb der Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle, verwendet den Molekulartransport. Zum zweiten erfolgt ein Transport, wenn Protonen, d.h. Wasserstoffionen, erzeugt als Ergebnis der Reaktion (1) sich von der Anodenabteilelektrode durch die Ionenaustauschmembran und in die Kathodenabteilelektrode der Brennstoffzelle bewegen, wo die elektrochemische Reduktion auftritt. Schließlich werden entsprechend der elektrochemi schen Oxidationsreaktion erzeugte Elektronen über einen Strom sammler transportiert, und zwar durch einen externen leitenden Pfad mit einer elektrischen Last zum Kathodenabteil, um als ein Reaktionsmittel für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff zu dienen. Die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit wird durch jedwede interne Impedanz auf irgendeine der drei Transportarten reduziert, die während des Betriebs auftreten.

In einem Bemühen zur Verminderung des Innenwiderstandes gegen über dem Transport, insbesondere dem Protonen- und Elektronen transport, und zur dadurch erfolgenden Erhöhung der Brenn stoffzellenleistungsfähigkeit, entstanden Brennstoffzellenkon struktionen mit einer "Null-Spalt"-Konfiguration, wo die Reak tionskammer, die Elektroden- und Ionenaustauschmembran in einer aneinander angrenzenden Beziehung angeordnet sind. Um eine "Null-Spalt"-Konfiguration zu erreichen und die damit zu sammenhängenden Verminderung des Innenwiderstands gegenüber dem Transport, wurden konventionelle Elektrodenstrukturen, wie beispielsweise Drahtmaschengitter, mit einem Elektrokatalysa tor überzogen und wurden auf jeder Oberfläche der Ionenaus tauschmembran eingebettet. Zudem wurden zusammengesetzte oder Compositelektroden aus Ionenaustauschpolymeren, Metallen oder Kohlenstoffverbindungen und elektrokatalytische Verbindungen verwendet, im Bemühen eine Elektrode zu konstruieren, wo ein Elektronenleiter, ein Protonenleiter und ein Elektrokatalysa tor in eine Dreiphaseninterface oder Grenzschicht inkorporiert wurden, um den Innenwiderstand gegenüber Transport zu minimie ren.

Feste Ionenaustauschpolymere mit festen anionischen Plätzen in der Form von sorbierten Anionen oder chemisch gebundenen Anio nen wurden verwendet, um die permselektive Ionenaustauschmem bran, verwendet in Brennstoffzellen, zu bilden. Kürzlich wur den Polymere verwendet, die sorbierte oder aufgepfropfte Ionen starker Protonensäuren, beispielsweise Sulfon- oder Phosphon -Säuren verarbeiteten, und zwar als Ionenaustauschmembrane in Brennstoffzellen infolge des relativ schnellen Protonentrans fers dieser Polymere. Nafion (Warenzeichen), eine Perfluorsul fonsäuremembran, erreichte zunehmende Popularität als eine Io nenaustauschmembran für Brennstoffzellen. Typischerweise ist die Ionenaustauschmembran ein relativ dünnes, beispielsweise 0,002 bis 0,012 Zoll dickes, Flächenelement oder eine Schicht aus einem aktiven Ionenaustauschpolymer. Mehrere gesonderte Flächenelemente oder Schichten aus aktiven Ionenaustauschpoly meren können thermisch laminiert werden, um eine einteilige Ionenaustauschmembran zur Verwendung in den Brennstoffzellen zu bilden, wobei jedes dieser Flächenelemente unterschiedliche leitende und/oder benetzende Eigenschaften besitzt.

Mit der Entwicklung der einteiligen oder einheitlichen relativ dünnen Ionenaustauschmembranen und Elektrodenanordnungen wur den die Brennstoffzellen in gestapelter Konfiguration angeord net. Insofern verbindet die Platte oder das Gehäuse, welche die Anoden- und Kathodenabteile zweier benachbarter Brenn stoffzellen trennt, elektrisch die Brennstoffzellen in Serie durch Leiten der in der Anode einer Brennstoffzelle erzeugten Elektronen direkt mit der Kathode einer benachbarten Brenn stoffzelle. Diese gemeinsame Platte wird als eine "Bipolarplat te" bezeichnet und sie dient zusätzlich als eine positive Sperre, um zu verhindern, daß sich die Anoden- und Kathoden gasströme zwischen benachbarten Zellen mischen. Auf diese Wei se kann die relativ niedrige durch eine einzige Brennstoffzel le erzeugte Spannung von 0,5 bis 0,9 V in Serie addiert wer den, um brauchbare Spannungen von beispielsweise 120 V zu er reichen.

Wie bereits erwähnt, wurden zusammengesetzte Elektroden aus einer homogenen Mischung von Ionenaustauschpolymer, einem elektrischen Leiter und einem Elektrokatalysator zur Verwen dung in Brennstoffzellen vorgeschlagen. Das Ionenaustauschpo lymer, beispielsweise Nafion (Warenzeichen) dient der Funktion eines Compositbindemittels und eines Elektrolyten von Kationen. Ein elektrischer Leiter, wie beispielsweise Koh lenstoffpulver, dient nicht nur zur Leitung von Elektronen, sondern auch als ein Katalysatorträger. Diese Composits werden mit einem Füllmaterial gebildet, welches darauffolgend durch das Aufbringen spezieller wäßriger Lösungen oder Wärme ent fernt wird, um eine poröse Elektrodenmatrix vorzusehen, welche gestattet, daß gasförmige Reaktionsmittel hindurchfließen. Demgemäß wird eine Elektrodenmatrixstruktur vorgesehen, welche ein leitendes Skelett für den Transport von sowohl Elektronen als auch Protonen relativ gleichförmig durch die gesamte Elek trode vorsieht.

Die Einbringung des Katalysators durch die gesamte vorgeschla gene Compositelektrode erhöht jedoch in signifikanter Weise die Katalysatormenge in der Elektrode, wodurch die Brennstoff zellenkatalysator-Ineffizienz gefördert wird, da nur ein Teil des eingebrachten (geladenen) Katalysators in den elektroche mischen Reaktionen verwendet wird.

Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Compo sitelektrode zur Verwendung in elektrochemischen Zellen aufzu bauen, bei der im wesentlichen der gesamte Elektrokatalysator, verwendet bei der Herstellung der elektrochemischen Zelle, nur entlang einer Zone innerhalb der Elektrode positioniert ist, wo die Transportgeschwindigkeiten von Elektronen und Protonen annähernd gleich sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Composit elektrode zur Verwendung in elektrochemischen Zellen anzuge ben, die derart aufgebaut ist, daß sie eine erhöhte elektroni sche Leitfähigkeit besitzt, und zwar von der Katalysatorlade zone zu einem Stromkollektor oder Sammler auf einer Stirnflä che der Elektrode, und wobei ferner eine erhöhte Protonenleit fähigkeit auftritt, von der Zone der Katalysatorbeladung zur Stirnfläche der Elektrode, die mit der Ionenaustauschmembran der elektrochemischen Zelle in Berührung oder Eingriff steht.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Compositelektrode zur Verwendung in elektrochemischen Zellen vorzusehen, wo die Menge des Elektrokatalysators notwendig zur Erreichung der höchsten elektrochemischen Zellenleistungsfähigkeit, gemessen durch den Wert von Watt pro mg Elektrokatalysator, minimiert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine zusammen gesetzte oder Compositelektrode für elektrochemische Zellen vorzusehen, wo der Elektrokatalysator effizienter verwendet wird, und zwar gemessen durch die Spannung einer einzigen elektrochemischen Zelle.

Zusammenfassung der Erfindung. Um die genannten sowie weitere Ziele zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine poröse zusammen gesetzte oder Compositelektrode zur Verwendung in elektroche mischen Zellen vorgesehen. Die Elektrode besitzt eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche, die einen relativ dünnen Abschnitt dazwischen definieren. Die zusammengesetzte Elektrode besitzt Mittel zum Leiten von Ionen, Mittel zum Lei ten von Elektronen und einen Elektrokatalysator. Die Volumen konzentration der ionenleitenden Mittel ist am größten an der ersten Stirnfläche und nimmt ab über den Abschnitt hinweg, während die Volumenkonzentration der elektronenleitenden Mit tel am größten an der zweiten Stirnfläche ist und über den Ab schnitt der Elektrode abnimmt. Im wesentlichen der gesamte Elektrokatalysator ist innerhalb des Elektrodenabschnitts po sitioniert, und zwar in einer relativ schmalen Zone, wo die Geschwindigkeit des Elektronentransports der Elektrode annä hernd gleich der Geschwindigkeit des Ionentransports der Elek trode ist.

Gemäß einer weiteren Kennzeichnung der Erfindung wird eine po röse zusammengesetzte Elektrode zur Verwendung in elektroche mischen Zellen vorgesehen, und zwar mit drei Zonen. Eine erste Zone leitet sowohl Elektronen als auch Ionen, freigesetzt durch elektrochemische Reaktionen, die innerhalb der elektro chemischen Zelle auftreten. Die Geschwindigkeit, mit der die erste Zone die Elektronen transportiert, ist größer als die Geschwindigkeit, mit der die erste Zone Ionen transportiert. Eine zweite Zone leitet sowohl Elektronen als auch Ionen und besitzt eine Ionentransportgeschwindigkeit größer als die Elektronentransportgeschwindigkeit derselben. Eine dritte Zone ist angrenzend mit den beiden ersten und zweiten Zonen vorge sehen und besitzt annähernd gleiche Ionen- und Elektronen transportgeschwindigkeiten. Ein Elektrokatalysator zur Erhö hung der Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen ist nahezu vollständig innerhalb der dritten Zone positioniert.

Gemäß einer weiteren Kennzeichnung der vorliegenden Erfindung ist eine elektrochemische Zelle vorgesehen, die Stromkollek tormittel aufweist, um die Elektronen, erzeugt durch elektro chemische Reaktionen von Brennstoff innerhalb der elektroche mischen Zelle zu leiten, und Ionenleitmittel dienen zum selek tiven Leiten vorgewählter Ionen, freigesetzt durch elektroche mische Reaktionen, und schließlich ist eine zusammengesetzte Elektrode zwischen den Kollektormitteln und den Ionenleitmit teln positioniert. Die zusammengesetzte oder Compositelektrode besitzt Ionen- und Elektronentransportgeschwindigkeiten, die sich über den Abschnitt derselben hinweg verändern und besitzt ferner einen Elektrokatalysator, der längs einer Zone positio niert ist, innerhalb des Abschnitts der Elektrode, wo die Io nen- und Elektronentransportgeschwindigkeiten im wesentlichen gleich sind.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen teilweise aufgeschnittenen Querschnitt zur Dar stellung des Volumenanteils der Komponenten einer Com positelektrode der Erfindung, zusammengebaut in einer elektrochemischen Zelle;

Fig. 2 einen Querschnitt einer bevorzugten Compositelektrode der Erfindung;

Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Compo sitanode der Erfindung, zusammengebaut mit einer soli den Ionenaustauschmembran einer Brennstoffzelle; und

Fig. 4 eine teilweise aufgeschnittene Querschnittsdarstellung einer Compositkathode der Erfindung, zusammengebaut mit einer Compositanode und einer festen (soliden) Ionenaustauschmembran einer Brennstoffzelle gemäß Fig. 3.

Im folgenden sei die Erfindung im einzelnen anhand von bevor zugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Fig. 1 zeigt die Compositelektrode der Erfindung bei 10, und zwar angeordnet zwischen einer soliden oder festen Ionenaustauschmembran 18 und einem Stromkolleltor 12, was auf dem Gebiet der Technik bekannt ist. Der Stromkollektor 12 kann ein Teil eines Reak torgefäßes einer elektrochemischen Zelle sein, eine Bipolar platte, eine Reihe von gestapelten individuellen Brennstoff zellen, oder ein anderer geeigneter elektrischer Leiter. Der Stromkollektor 12 kann aus irgendeinem geeigneten elektronen leitenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise aus Nickel, den meisten anderen Metallen, Graphit (einer leitenden Form des Kohlenstoffs) oder einem Graphitplastikcomposit, wel ches hinreichende Elektronenleitung zur Verwendung mit der Elektrode der vorliegenden Erfindung, wie sie noch beschrieben wird, vorsieht. Der Stromkollektor 12 ist vorzugsweise aus einem korrosionbeständigen Metall, wie beispielsweise Nickel, hergestellt oder aus einem Graphitplastikcomposit, welches ein Bindemittel aufweist, beispielsweise einem Composit aus 80 Gew.% Kohlenstoffschwarz (Gasruß), wie beispielsweise Vulcan XC-72 (Warenzeichen), hergestellt von der Cabot Corporation in den USA und 20 Gew.% Polyvinylidenfluorid, wie beispielsweise Kynar (Warenzeichen), hergestellt von der Pennwalt Corporation in USA.

Die Membran 18 kann aus irgendeinem geeigneten Ionenaustausch polymer hergestellt sein, welches als ein selektives Ionen transportmaterial dient, wie dies auf dem Gebiet der Elektro chemie bekannt ist. Die Membran 18 kann aus Nafion 117 (Waren zeichen) einer 0,007 Zoll dicken Polyperfluorsulfonsäuremem bran, hergestellt von der Du Pont Corporation in den USA auf gebaut sein. Polyperfluorcarboxylsäurepolymere sind ebenfalls geeignete Ionenaustauschpolymere zur Verwendung als Membran 18. Die solide Compositelektrode 13 der Erfindung ist ein re lativ dünnes Flächenelement, eine Schicht oder ein Wafer von beispielsweise 0,010 Zoll (Dicke), und zwar im allgemeinen eine rechteckige Form definierend. Die Elektrode 13 besteht aus einem Ionenaustauschpolymer 17, welches eine chemische Zusammensetzung und Transporteigenschaften besitzt, ähnlich dem Ionenaustauschpolymer, verwendet zum Aufbau der Ionen austauschmembran 18, ferner weist die Elektrode 13 ein strom leitendes Material 15 auf, wie beispielsweise das Material, verwendet zum Aufbau des Stromkollektors 12, und einen Elek trokatalysator 16. Der Elektrokatalysator 16 arbeitet teilwei se zur Beschleunigung des Elektronentransportes, notwendig zum Betrieb der Compositelektrode der vorliegenden Erfindung. Ein geeigneter Elektrokatalysator kann ausgewählt werden aus der Edelmetallgruppe, insbesondere Platin, Rhodium, Palladium oder Legierungen davon, oder aus metallorganischen Verbindungen, wie beispielsweise Eisen oder Cobaltporphyrinverbindungen oder Eisen- oder Cobaltphthalocyaninverbindungen, die thermisch in konventioneller Weise behandelt wurden. Der Elektrokatalysator kann entweder in der Form relativ kleiner metallischer Teil chen, d. h. Metallschwärze (metal blacks) oder als kleine Teilchen, getragen auf leitenden Substraten, verwendet werden. Vorzugsweise Platinteilchen mit einer Querschnittsdimension von 100 bis 200 × 10^-8 cm, abgeschieden auf größeren Kohlen stoffteilchen werden als Elektrokatalysator in der Composit elektrode der Erfindung verwendet.

Polyperfluorsulfonsäure, typifiziert durch die Nafion (Waren zeichen)-Klasse von Polymeren, hergestellt von Du Pont, werden hergestellt durch die Copolymerisation von Tetrafluorethylen und Vinylether-Monomer, welches in einer Sulfurylfluoridgrup pe, d. h. -SO₂F endet. Das sich ergebende Polymerprodukt kann wärmeverarbeitet werden, und zwar in Flächenelementen oder Bo gen oder andere gewünschte Formen durch konventionelle Verfah ren. Die verarbeiteten Polymeren werden sodann hydrolysiert, und zwar in einer konzentrierten wäßrigen Basislösung bei er höhten Temperaturen, beispielsweise einer 30 Gew.% KOH-Lösung bei 90°C. Während der Hydrolyse wird die nicht-ionische Sul furylgruppe chemisch in ein Sulfonsäureanion, -SO₃⁻, umge wandelt. Nach der Hydrolyse enthalten die Polymere gebun dene anionische Gruppe, welche die verfügbaren Kationen an ziehen, um ein Ionenaustauschnetzwerk zu bilden. Die thermi schen Eigenschaften des hydrolysierten Polymers werden derart geändert, daß das hydrolysierte Polymer nicht mehr wärmever arbeitet werden kann. Bei erhöhten Brennstoffzellen-Betriebs temperaturen, d. h. Temperaturen mehr als 100°C, tritt die Dehydratisierung (Entwässerung) zu der Membran, Elektroden interface auf, was für den Ionentransport nachteilig sein kann. Demgemäß können bei solchen erhöhten Temperaturen andere Materialien, die eine relativ hohe Ionenleitung bei hohen Tem peraturen zeigen, wie beispielsweise Phosphorsäure oder be stimmte Metalloxide, beispielsweise Iridiumoxid oder Wolfram oxid, als ein Ionenaustauschmaterial, anstelle des Ionenaus tauschpolymers 17 zur Verwendung in der Compositelektrode der Erfindung ausgewählt werden.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Erzeugung einer relativ schmalen Zone oder Ebene innerhalb einer Compo sitbrennstoffzellenelektrode, wo die Geschwindigkeit des Elek tronentransports annähernd gleich der Geschwindigkeit des Pro tonentransports ist, und durch Laden von im wesentlichen dem ganzen in der Compositelektrode verwendeten Elektrokatalysator nur innerhalb dieser Zone, der Verbrauch an Elektrokatalysator und die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit, gemessen durch die Anzahl von Watt erzeugt pro mg Elektrokatalysator oder durch den Spannungswirkungsgrad signifikant erhöht werden. Die Posi tionierung des Elektrokatalysators längs einer Zone von im we sentlichen gleichem protonischen und elektronischen Transport sieht auch die maximale Ausnutzung der verfügbaren Elektroka talysatorplätze vor, und zwar infolge der sich ergebenden ver minderten Verweilzeit eines Reaktionsgasmoleküls an jedem sol chen Platz.

Die effektive Geschwindigkeit, mit der das Material 15 den elektrischen Strom, d. h. die Elektronen, leitet und die Ge schwindigkeit, mit der das Ionenaustauschpolymer 17 Protonen leitet, d. h. der Wasserstoffionenfluß, sind direkt proportio nal zur Volumenkonzentration jedes dieser Materialien inner halb der Elektrode 13. Der Elektronenfluß, d.h. der Strom (Mol/s cm²) steigt zum Stromkollektor 12 hin an, während der Protonenfluß, d. h. der Ionenfluß (Mol/s cm²) zur Membran 18 hin ansteigt, da jeder gesonderte elektrokatalytische Platz als der Ort des Elektronentransfers dienen kann, und jedes Ion muß sich zur Membran bewegen. Demgemäß wird die Volumenkonzen tration des stromleitenden Materials 15 und Polymers 17 über den Querschnitt der Elektrode 13 gradiert (eingeteilt), um den sich ändernden Protonen und Elektronenfluß zu entsprechen. Stromleitendes Material 15 hat die größte Volumenkonzentration innerhalb der Elektrode 13 längs der Interface oder Grenzflä che der Elektrode mit dem Stromkollektor 12. Die Konzentration des stromleitenden Materials 15 nimmt über den Querschnitt der Elektrode 13 hinweg ab. Die Volumenkonzentration des Ionenaus tauschpolymers 17 innerhalb der Elektrode 13 ist am größten an der Grenzfläche oder Interface der Elektrode 13 mit der Mem bran 18 und nimmt ab über den Abschnitt der Elektrode 13 hin weg. Der Elektrokatalysator 16 ist an der Ebene oder Zone längs des Abschnitts der Elektrode 13 konzentriert, wo die Transportgeschwindigkeit der Elektronen (bestimmt durch die Elektronenleitfähigkeit und den Volumenanteil des Materials 15) und die Transportgeschwindigkeit der Protonen (bestimmt durch die Protonenleitfähigkeit und den Volumenanteil des Materials 17) im wesentlichen gleich sind.

Die feste Compositelektrode 13 der Erfindung sieht unter schiedliche Transportgeschwindigkeiten für sowohl Elektronen als auch Protonen (in einer Wasserstoff/Sauerstoff-Brenn stoffzelle) über den Abschnitt oder Querschnitt derselben hinweg vor. Die Elektronenleitfähigkeit steigt an zur Elek trode, Stromkollektorinterface während die Protonenleitfä higkeit ansteigt zur Elektrode, Ionenaustauschmembraninter face. Der Elektrokatalysator ist zwischen dem Elektrodenab schnitt in der relativ schmalen Ebene oder Zone 16 konzen triert, wo die Transportgeschwindigkeit der Elektronen aus gedrückt auf einer Volumenbasis annähernd gleich der Trans portgeschwindigkeit der Protonen, ausgedrückt auf einer Vo lumenbasis ist.

Die Elektronen und Protonentransfergeschwindigkeiten werden im allgemeinen ausgedrückt unter Verwendung des Werts der Leitfä higkeit für ein gegebenes Material oder reziprok als ein Wert ihres Widerstandswertes. Die Grundeinheit des Widerstandswer tes ist Ohm/cm pro cm². Der Widerstandswert eines gegebenen Materials gegenüber entweder Elektronen- oder Protonentrans port wird gemessen durch Bestimmung des Spannungsabfalls an diesem Material während ein bekannter Fluß durch das Material auftritt und durch die Maßstabsbewertung dieses Widerstands wertes gegenüber dem Volumenanteil dieses Materials in einer bestimmten Zusammensetzung. Der Widerstandswert eines gegebe nen Materials gegenüber entweder Ionen oder Elektronen kann definiert werden als maßstabsbewertet zum entsprechenden Volu menanteil durch den unten angegebenen Ausdruck. Somit steht der elektronische Widerstandswert R _e(i) in jedem Volumenele ment i in bezug mit dem Massenwiderstand R _b durch den folgen den Ausdruck:

R _e(i) = R _b/kf (3)

Dabei ist f der Volumenanteil und k ist ein empirischer Koffi zient, der nicht-lineare Effekte in der Volumenmischung be rücksichtigt. Demgemäß kann die Elektronen- und Protonenleit fähigkeit wie folgt ausgedrückt werden:

(X₁)(R _o) = (X₂)(R _p), (4)

dabei ist X ₁ die Dicke des Pfades der Elektronenleitfähigkeit von der Zone gleich Elektronen- und Protonenleitfähigkeit zur Stromkollektorinterface, X ₂ ist die Dicke des Pfades der Pro tonenleitfähigkeit von der Zone gleich Elektronen- und Proto nenleitfähigkeit zur Membraninterface, R _e ist der effektive Transferwiderstand der Elektronen durch den Elektronentrans ferpfad und R _p ist der effektive Transferwiderstand der Proto nen durch den Protonentransferpfad. Auf diese Weise kann man erkennen, daß X ₁ und X ₂ eingestellt werden müssen, um die Dif ferenzen in R _e und R _p zu berücksichtigen. Da die Geschwindig keiten des Elektronentransportes typischerweise größer sind als die Geschwindigkeit des Protonentransports muß X ₂ derart vorgesehen werden, daß es kleiner ist als X ₁. Demgemäß ist die Zone relativ gleicher Protonen- und Elektronentransportge schwindigkeiten, d. h. die Zone mit einer hohen Beladung durch Elektrokatalysator näher an der Membraninterface angeordnet als an der Stromkollektorinterface der Compositelektrode 13. Die exakte Positionierung dieser Zone in einer optimierten Compositelektrode ist eine Funktion der Werte von R _e und R _p , wie dies durch die genauen zur Herstellung der Elektrode 13 verwendeten Materialien bestimmt wird.

Die Compositelektrode der vorliegenden Erfindung muß derart hergestellt werden, daß die reagierenden Moleküle der Brenn stoffgase eingeführt in die Brennstoffzelle Zugang zu den elektrokatalytischen Plätzen durch die gesamte Elektrode hin durch besitzen. Effiziente Gastransportgeschwindigkeiten sind direkt abhängig von einer adequaten Porosität durch die Elek trode hindurch. Demgemäß ist die Compositelektrode der vorlie genden Erfindung mit einer Porosität ausgestattet, ausreichend zum Gestatten eines nicht-behinderten Flusses von Reaktionsga sen und Wasser in der Form von Dampf. Die Massenporosität der Elektrode definiert als das Gasvolumen in der Elektrode 13 di vidiert durch das Gesamtvolumen der Elektrode 13 beträgt unge fähr 0,6 bis ungefähr 0,7. Diese Massenporosität sieht eine relativ gleichförmige Verteilung der gasförmigen Reaktionsmit tel durch die Struktur der zusammengesetzten oder Composit elektrode 13 hinweg vor. Der zur Schaffung dieser Porosität erforderliche Leerraum kann hergestellt werden durch die Ver wendung von porösen Flächenelementen, Bögen oder Gittern aus Materialien, was im folgenden noch beschrieben wird, oder aber durch die Verwendung von Füllermaterialien, die aufgelöst oder thermisch entfernt werden nach der Herstellung der Elektrode 13.

Die Porosität der Elektrode 13 kann sich über den Abschnitt desselben hinweg verändern und, wie in Fig. 1 gezeigt, sollte ansteigen an der Elektrode, Stromkollektorgrenzfläche, um gas förmigen Reaktionsmitteln den Zugang zu der Zone zu gestatten, wo der Elektrokatalysator konzentriert ist. Der Elektrokataly sator ist durch diese Zone hindurch verteilt, um dünne hohe Oberflächengebiete aufweisende Schichten auf elektronenleiten den Feststoffen innerhalb dieser Zone zu bilden. Durch Erhö hung der Porosität in dieser Zone, wo die Katalysatorladung konzentriert ist, wird der Gasfluß (Molekulartransport) in diesem Gebiet der Elektrode 13, wo die Reaktivität maximiert ist, maximiert. Ströme von gasförmigen Reaktionsmitteln werden in die Elektrode 13 eingeführt, und zwar von einer externen Quelle aus unter Verwendung von Strömungssammelleitungen und anderen baulichen Konfigurationen, die auf dem Gebiet der Technik bekannt sind.

In einem Ausführungsbeipiel ist die Compositelektrode 13 der Erfindung durch drei gesonderte Lagen oder Zonen oder Schich ten, wie allgemein in Fig. 1 bei 22, 24 und 26 gezeigt, gebil det. Jede Lage oder Zone weist eine Mischung aus Ruß (Kohlen stoffschwarz), Platin oder anderen geeigneten Elektrokatalysa tor auf, und zwar verteilt und getragen auf Ruß, Polytetra fluorethylen als Bindemittel und einem geeigneten ionischen leitenden Material, wie beispielsweise Polyperfluorsulfonsäu re. Geeigneter Ruß zur Verwendung bei der Herstellung der Com positelektrode der Erfindung besitzt eine relativ hohe Ober fläche (ein hohes Oberflächengebiet), eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe chemische Reaktivität. Bevor zugter Ruß ist Vulcan XC-72 (Warenzeichen), hergestellt von der Cabot Corporation. Es wird bevorzugt ein eine relativ hohe Oberfläche besitzendes Platin (beispielsweise 20 m²/g) zu ver wenden, und zwar in der Form eines Rußes mit annähernd 5 Gew.% Platin, beladen auf die Oberfläche desselben. Polytetrafluor ethylen ist im Handel als eine feine Suspension verfügbar, d. h. ein feines Pulver, verteilt in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser. Polyperfluorsulfonsäure oder Polyper fluorcarbonsäure-Polymere sind als Suspensionen in Lösungsmit teln verfügbar, wie beispielslweise als Mischungen von Wasser und Methanol oder als nicht-hydrolysierte Formen. Die letztge nannte Form gestattet die Verwendung solcher Polymeren als ein thermisches Kunststoffbindemittel. Die zusammensetzungsmäßigen und dimensionsmäßigen Parameter für jede Schicht oder Zone sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Somit ist die Dicke der Compositelektrode 1,5 × 10^-3 cm. Jede Zone wird hergestellt durch Kombination der Bestandteile, dis pergiert in einem geeigneten Dispersionsmittel, wie beispiels weise Hexan oder anderen einen niedrigen Siedepunkt besitzen den Flüssigkeiten, und zwar entsprechend der obengenannten Zusammensetzung, und Aufsprühen einer Lage aus der sich erge benden Dispersion auf entweder dem Stromkollektor 12 oder der Membran 18. Eine genaue Lagen- oder Schichtdicke kann ohne weiteres durch einen Fachmann auf dem Gebiet des Sprühüberzugs erreicht werden unter Verwendung konventioneller Vorrichtun gen. Mindestens eine Zone wird auf der Membran 18 und dem Kol lektor 12 aufgebracht und danach werden die Membran 18, der Kollektor 12 und die Schichten oder Lagen 22, 24, 26 thermisch miteinander verbunden zur Bildung der Compositelektrode der Erfindung.

Es sei nunmehr auf die Fig. 3 Bezug genommen, wo eine Struktur aus einer Compositanodenelektrode zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wie beispielsweise einer Wasserstoff/Sauer stoff-Brennstoffzelle, dargestellt ist. Die Compositanode ge mäß Fig. 3 ist im ganzen mit 30 bezeichnet und weist Lagen 32, 34, 36 und 38 auf. Die Lage 32 ist ein 0,05 Zoll dickes Koh lenstoffgitter, aufgebaut aus graphitisiertem Kohlenstoff und besitzt eine relativ hohe physikalische Festigkeit, d. h. eine Bruchfestigkeit von mehr als 300 psi und einen elektrischen Widerstandswert von beispielsweise 0,01 Ohm cm. Die Schicht 32 ist mit Porenöffnungen (Maschen) von annähernd 50 bis 100 × 10^-4 cm ausgestattet, um eine effiziente Wanderung der Reak tionsgase gleichförmig durch die Schicht zu gestatten. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht 32 gestattet den schnel len Transport der Elektronen zu dem Stromkollektor 12 mit nie drigem Widerstandsverlust. Die Lage 32 ist mit hydrophoben Ma terialien behandelt, wie beispielsweise mit elementarem Fluor, um die Benetzungstendenzen derselben zu verringern.

Die Lage 34 ist ein poröses Kohlenstofflächenelement mit einer Dicke von ungefähr 1 bis 2 × 10^-4 cm. Die Lage 34 kann herge stellt werden durch Heißpressen einer Mischung aus einem lei tenden Kohlenstoffruß und einem nicht-hydrolysierten Ionenaus tauschpolymer, wie beispielsweise nicht-hydrolysiertem Nafion (Warenzeichen)-Polymer in Pulverform. Die Konzentrationen von Ruß und nicht-hydrolysiertem Ionenaustauschpolymer sind derart gewählt, daß die Lage 34 eine Elektronentransportrate oder -geschwindigkeit besitzt, die größer ist als beispielsweise das Doppelte der Protonentransportgeschwindigkeit oder -rate. Die Lage 34 wird darauffolgend erwärmt, um das Ionenaustausch polymer zu schmelzen, welches als ein Bindemittel darin wirkt.

Die Lage 36 besteht aus den gleichen Materialien wie die Lage 34, aber die Konzentrationen von Ruß und nicht-hydrolysiertem Ionenaustauschpolymer sind derart geändert, daß die Elektro nentransportgeschwindigkeit der Lage 36 annähernd gleich der Protonentransportgeschwindigkeit derselben ist. Folgend auf das Heißpressen der Mischung wie bezüglich der Lage 34 be schrieben, wird die Lage 36 mit einer Lösung besprüht, die Platin, Ruthenium oder eine Mischung daraus enthält. Bei spielsweise wird die Lage 36 mit einer Alkohollösung von Pla tin und Rutheniumchloriden bei Umgebungstemperatur und Druck besprüht. Die Lage 36 wird mit einer Lösungsmenge besprüht, die notwendig ist, um eine Katalysatorbeladung von 1 mg/cm² oder weniger zu erreichen. Darauffolgend wird der Katalysator chemisch reduziert, um die katalytischen Metalle in ihre ele mentare Form umzuwandeln. Diese chemische Reduktion kann die Verwendung von Hydrazin oder anderen mäßigen Reduzieragenzien erforderlich machen, die als eine Flüssigkeit aufgebracht wer den können.

Die Lage 38 ist ebenfalls aus den gleichen Materialien wie die Lage 34 aufgebaut mit der Ausnahme, daß die Konzentrationen von Ruß und nicht-hydrolysiertem Ionenaustauschpolymer derart verändert sind, daß die Protonentransportgeschwindigkeit der Lage 38 größer ist als beispielsweise doppelt so groß ist wie die Elektronentransportgeschwindigkeit der Lage 38. Die Lage 38 wird durch Heißpressen einer dünnen (10 × 10^-4 cm) Mischung von Ruß und einem nicht-hydrolysierten Ionenaustauschpolymer hergestellt.

Die solide oder feste zusammengesetzte (composite) Anode 30 wird sodann zusammengebaut durch Stapeln der Lagen 32-38 gegen ein Flächenelement oder ein Wafer aus nicht-hydrolysiertem Ionenaustauschpolymer 39 (wie dargestellt), wie beispielsweise nicht-hydrolysiertem Nafion (Warenzeichen)-Polymer, und zwar mit einer Dicke zwischen ungefähr 0,076 cm bis ungefähr 0,013 cm, und mit darauffolgendem Heißpressen der gestapelten Lagen zur Bindung der sich ergebenden Compositanode 30 miteinander und mit dem dickeren Flächenelement oder Wafer aus nicht-hy drolysiertem Nafion-Polymer. Das sich ergebende Laminat wird in eine wäßrige Base, beispielsweise 6 Molarnatriumhydroxid, eingetaucht, und zwar bei annähernd 80 bis 100°C zur Hydroly sierung des Ionenaustauschpolymers, wodurch ein aktives Ionen austauschmaterial gebildet wird. Diese Behandlung wird fortge setzt, bis im wesentlichen die ganzen Sulfurylfluoridgruppen hydrolysiert sind zum Sulfonsäureanion. Das sich ergebende La minat wird darauffolgend in entionisiertem Wasser gewaschen und in eine verdünnte Elektrokatalysator enthaltende Lösung eingetaucht, beispielsweise in eine wäßrige Lösung eines Pla tinsalzes. Das Laminat wird mit einem chemischen Reduzieragens behandelt, um das Platin sowohl in der Ionenaustauschmembran 18 wie auch der Elektrode 30 zu reduzieren. Es ist wichtig festzustellen, daß die Menge an Elektrokatalysator eingebracht oder eingeladen in diesem Schritt über das Laminat hinweg kleiner sein kann als 5 Gew.% der Elektrokatalysatormenge, die auf die Zwischenlage 36 der Compositanode 30 eingebracht oder eingeladen wurde.

Es sei nunmehr auf die Fig. 4 Bezug genommen, wo eine solide Compositkathode der Erfindung bei 40 dargestellt ist und all gemein aus Lagen 42, 44 und 48 besteht. Die Lage 42 ist ein Composite aus einem nicht-hydrolysierten Ionenaustauschpoly mer, wie beispielsweise nicht-hydrolysiertem Nafion und einem vorkatalysierten Graphitpulver. Das Graphitpulver, ein leiten der Kohlenstoff, wird als erstes durch eine thermische Behand lung in einer gesteuerten Umgebung vorbehandelt, und zwar un ter Verwendung bekannter Kohlenstofftechnologie zur Steuerung der oxidativen Stabilität des Graphitpulvers. Darauffolgend wird das Kohlenstoffpulver mit einer Platinsalzlösung behan delt und chemisch reduziert, um einen dünnen Überzug aus Pla tin aus der Oberfläche des Kohlenstoffs zu ergeben. Relativ kleine Konzentrationen von Platin sind in dieser Lage erfor derlich, d. h. wesentlich weniger als 0,1 mg/zusammengebaute cm² der Elektrodenfläche. Dieser katalysierte Kohlenstoff wird mit nicht-hydrolysiertem Ionenaustauschpolymer gemischt und sodann in ein dünnes Flächenelement oder eine Schicht oder einen Film heißgepreßt. Die Konzentrationen des Graphitpulvers und des nicht-hydrolysierten Ionenaustauschpolymers werden derart ausgewählt, daß eine Lage 42 vorgesehen wird mit einer Protonentransportgeschwindigkeit, die größer ist als bei spielsweise annähernd doppelt so groß ist wie ihre Elektro nentransportgeschwindigkeit.

Die Lage 44 ist eine Compositmischung, die hergestellt wird durch Weben eines Tuchs aus Strängen aus nicht-hydrolysiertem Ionenaustauschpolymer, die in Fasern spinnvergossen werden und aus wärmebehandelten Kohlenstoffasern. Relativ dünne Fasern aus jedem Material werden verwendet, so daß das sich ergebende Material oder Stoffmaterial eine relativ große Anzahl von Schnittpunkten zwischen zwei Arten von Fasern besitzt. Die Konzentrationen der Kohlenstoffasern und der Ionenaustauschpo lymerfasern sind derart gewählt, daß eine Lage 44 gebildet wird mit einer Protonentransportgeschwindigkeit annähernd gleich ihrer Elektronentransportgeschwindigkeit. Eine orga nische macrocyclische Verbindung, die Eisen oder Cobalt enthält, wird zur Katalysierung dieses Materials oder Stoffs verwendet. Ein geeigneter Elektrokatalysator wird, zuvor be schrieben, abgeschieden, und zwar entweder durch Lösungsab scheidung oder durch Kohlenstoffvorbehandlung. Bei Verwendung der Lösungsabscheidung wird eine Verbindung verwendet, wie beispielsweise ein Cobalttetramethoxytetraphenylporphyrin, aufgelöst in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Tetra hydrofuran. Das Material oder der Stoff wird in diese Lösung eingetaucht und Porphyrin wird an den Kohlenstoffoberflächen adsorbiert. Diese Eintauchen kann wiederholt werden. Das Mate rial oder Stoff wird darauffolgend bei annähernd 100°C ge trocknet, um jedwedes überschüssiges organischen Lösungsmittel zu entfernen und daraufhin erfolgt eine Wärmebehandlung zur Bindung des Porphyrins an das Material. Eine kurze Zeitperiode intensiver Erwärmung (850 bis 950°C) von einer Infrarotquelle, wie beispielsweise einem intensiven IR-Laser, wird selektiv die Rußoberflächen erhitzen und Porphyrin in seine katalyti sche Form umwandeln und es mit Kohlenstoff verbinden. Bei Ver wendung der Kohlenstoffvorbehandlung werden die Kohlenstoffasern als erstes mit dem Porphyrin überzogen, bevor der Web vorgang vorgenommen wird. Beispielsweise werden die Kohlen stoffasern in eine Lösung aus Cobalttetramethoxytetraphenyl porphyrin, aufgelöst in Tetrahydrofuran eingetaucht und die Fasern werden pyrolysiert (850 bis 950°C), um Porphyrin in seine katalytische Form umzuwandeln und es mit Kohlenstoff zu verbinden. Die sich ergebende Faser wird mit dem nicht-hydro lysierten Ionenaustauschpolymer verwoben zur Bildung des Mate rials oder Stoffs, welches als Lage 44 verwendet wird.

Die Lage 48 besteht aus einer Lage aus hochleitendem graphiti sierten Tuch, welches eine relativ kleiner Menge an nicht-hy drolysierten Ionenaustauschpolymeren enthält, und zwar behan delt mit einer geringen Platinbeladung in einer Art ähnlich der Behandlung der Lage 42. Die Konzentrationen von Graphit (beispielsweise Kohlenstoff) und dem Ionenaustauschpolymer sind so gewählt, daß eine Lage 48 mit einer Elektronentrans portgeschwindigkeit vorgesehen wird, die größer ist, bei spielsweise doppelt so groß wie die Protonentransportgeschwin digkeit. Die Lage kann auch mit hydrophoben Materialien behan delt werden, um die Benetzung in einer Art und Weise zu steu ern, wie dies oben unter Bezugnahme auf die Lage 32 der soli den Compositanode 30 beschrieben wurde. Die Lagen 42, 44 und 48 werden gestapelt und unter Druck (50 bis 60 psi) erhitzt, bis das nicht-hydrolysierte Ionenaustauschpolymer schmilzt, um die Lagen miteinander zu verbinden. Das sich ergebende Lami natcomposit wird hydrolysiert, und zwar in der Art und Weise wie dies oben unter Bezugnahme auf die Anode 30 beschrieben wird, und zwar so lange, bis im wesentlichen alle Sufurylgrup pen in Sulfonsäureaniongruppen hydrolysiert sind.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, kann die bevorzugte feste Compositanode 30 und die feste Kathode 40 der vorliegenden Er findung in der Weise zusammengebaut werden, daß zuerst eine Erwärmung einer Alkohollösung eines hydrolysierten Ionenaus tauschpolymers, wie beispielsweise Nafion (Warenzeichen) er folgt, welches gebildet wird durch Erwärmung dieses Materials in einer Alkohollösung und wobei ein Sprühüberzug der erwärm ten Lösung auf die Ionenaustauschmembran integral gebildet mit der Compositanodenstruktur 30 erfolgt und die freiliegende Stirnfläche 42 der Compositkathode 40. Die zwei Strukturen werden darauffolgend erhitzt und miteinander durch Anhaften der freiliegenden Stirnfläche der Lage 42 an der freiliegenden Stirnfläche der Ionenaustauschmembran 18 verbunden.

In der gesamten Beschreibung wurde die Compositelektrode der vorliegenden Erfindung als geeignet für den Zusammenbau in einer Brennstoffzelle, wie beispielsweise einer Wasserstoff /Sauerstoff-Brennstoffzelle, beschrieben. Der Fachmann er kennt, daß die Compositelektrode der Erfindung auch in elek trochemischen Vorrichtungen verwendet werden kann, die elek trische Leistung oder chemische Verbindungen erzeugen. Bei spielsweise ist die Erfindung anwendbar bei Systemen, wo Was ser in Flüssigkeit oder Dampfzustand elektrolysiert wird, um Wasserstoff oder Sauerstoff zu erzeugen, und zwar zur Synthe se von Chlor, welches durch elektrische Energie betrieben wird, oder aber bei der Synthese von anderen Materialien von kommerziellem Interesse, wie beispielsweise bei der Herstel lung von organischen Säuren aus Alkanen. Im allgemeinen kann die Erfindung verwendet werden zur Herstellung von Elektroden, die brauchbar sind bei der elektrochemischen Erzeugung elek trische Leistung aus dem Verbrauch von Reaktionsgasen oder Flüssigkeiten oder bei der elektrochemischen Erzeugung von chemischen Verbindungen bei dem Verbrauch elektrische Lei stung.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Eine poröse Compositelektrode wird vorgesehen zur Verwendung zwischen einem Elektronenleiter und einer Ionenaustauschmem bran einer elektrochemischen Zelle. Die Elektrode besitzt eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche, die einen rela tiv dünnen Abstand dazwischen definieren, wobei darinnen io nenleitende elektronenleitende und elektrokatalytische Mate rialien angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist folgendes vorge sehen: Ein ionenleitendes Material, welches selektiv bestimmte Ionen hindurchleitet, wobei die Elektrode eine Volumenkonzen tration des ionenleitenden Materials besitzt, welches am größ ten an der zweiten Stirnfläche ist und welches über den Ab schnitt der Elektrode hinweg abnimmt, wodurch eine Transport geschwindigkeit für die Ionen definiert, die sich in entspre chender Weise über den Abschnitt der Elektrode ändert; ein elektronenleitendes Material mit einer Volumenkonzentration innerhalb der Elektrode, die am größten ist an der ersten Stirnfläche und die über den Abschnitt der Elektrode hinweg abnimmt, wodurch eine Transportgeschwindigkeit der Elektronen definiert wird, die sich in entsprechender Weise über den Ab schnitt der Elektrode hinweg ändert; und mit einem Elektro katalysator, positioniert längs einer Zone innerhalb des Ab schnitts der Elektrode, wobei die Transportgeschwindigkeit der Elektronen und die Transportgeschwindigkeit der Ionen im we sentlichen gleich ist.

Claims

1. Eine poröse zusammengesetzte Elektrode zur Verwendung zwi schen einem Elektronenleiter (12) und einer Ionenaus tauschmembran (18) einer elektrochemischen Zelle, wobei die Elektrode eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche besitzt zur Definition eines relativ dünnen Abschnitts (13) dazwischen mit darinnen angeordneten io nenleitenden, elektronenleitenden und elektrokatalytischen Materialien, gekennzeichnet durch
ein ionenleitendes Material (17), welches selektiv be stimmte Ionen hindurchleitet,
wobei die Elektrode eine Volumenkonzentration des ionen leitenden Materials besitzt, die größer ist an der zweiten Stirnfläche und die über den Abschnitt der Elektrode hin weg abnimmt, wodurch eine Transportgeschwindigkeit der Io nen definiert wird, die sich entsprechend über den Quer schnitt der Elektrode hinweg verändert;
ein elektronenleitendes Material (15) mit einer Volumen konzentration innerhalb der Elektrode, die an der ersten Stirnfläche am größten ist und die sich über den Quer schnitt der Elektrode hinweg verkleinert, wodurch eine Transportgeschwindigkeit der Elektronen definiert wird, die sich in entsprechender Weise über den Abschnitt oder Schnitt der Elektrode hinweg verändert; und
einen Elektrokatalysator (16), angeordnet längs einer Zone innerhalb des Abschnitts der Elektrode, wo die
Transportgeschwindigkeit der Elektronen und die
Transportgeschwindigkeit der Ionen im wesentlichen gleich ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone von im wesentlichen gleichen Elektronen- und Ionen- Transportgeschwindigkeiten mit einem Abstand dichter zur zweiten Stirnfläche als zur ersten Stirnfläche angeordnet ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Porosität besitzt, die sich über den Querschnitt oder Abschnitt der Elektrode hinweg ver ändert und die an der ersten Stirnfläche am größten ist.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrode eine Massenporosität von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,7 besitzt.

5. Elektrode nach einem der oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das elektronenleitende Material ein stabiles Metall, ein Graphit oder ein Graphitkunststoffkomposit ist.

6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbe sondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Protonen sind und daß das ionenleitende Material ein Ionenaustauschpolymer ist, und zwar ausgewählt aus der aus folgendem bestehenden Gruppe: Polyperfluorsulfonsäurepoly mere und Polyperfluorcarboxylsäurepolymere.

7. Elektrode nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator ein Edelmetall oder eine me tallorganische Verbindung ist.

8. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator ein Edelmetall ist, ausgewählt aus der aus folgendem bestehenden Gruppe: Platin, Rhodium, Palla dium und Legierungen davon.

9. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator eine metallorganische Verbindung ist, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Cobaltporphyrinver bindungen, Eisenporphyrinverbindungen, Cobaltphthalocya ninverbindungen, Eisenphthalocyaninverbindungen oder Mi schungen daraus.

10. Elektrochemische Zelle, die folgendes aufweist: Stromkol lektormittel zum Leiten von Elektronen, erzeugt durch elektrochemische Reaktionen von Brennstoff innerhalb der elektrochemischen Zelle;
Ionenleitermittel zum selektiven Leiten vorgewählter Io nen, freigesetzt durch die elektrischen Reaktionen; und
eine Compositelektrode, positioniert zwischen den Kollek tormitteln und den Ionenleitermitteln, wobei die Composit elektrode hindurchverlaufend unterschiedliche Ionen und Elektronentransportgeschwindigkeiten aufweist und mit einem Elektrokatalysator, positioniert innerhalb einer Zone in dem Abschnitt der Elektrode, wo die Geschwindig keiten im wesentlichen gleich sind.

11. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Compositelektrode (zusammengesetzte Elektrode) eine erste und zweite Stirnfläche aufweist, die einen relativ dünnen Abschnitt dazwischen definierren, und zwar angeordnet zwi schen den Stromkollektormitteln und den Ionenleitermitteln derart, daß die erste Stirnfläche angrenzt mit den Strom kollektormitteln, wodurch eine erste Grenzfläche (Inter face) gebildet wird, und wobei die zweite Stirnfläche, an grenzend ausgebildet ist mit den Ionenleitermitteln, wo durch eine zweite Grenzfläche (Interface) definiert wird.

12. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, wobei die zusam mengesetzte oder Compositelektrode folgendes aufweist:
ein ionenleitendes Material, welches selektiv die bestimm ten Ionen hindurchleitet, wobei das ionenleitende Material eine Volumenkonzentration besitzt, die an der zweiten Grenzfläche größer ist und die sich über den Abschnitt der Elektrode hinweg verringert, wodurch eine Ionentransport geschwindigkeit definiert wird, die sich in entsprechender Weise über den Abschnitt der Elektrode hinweg verändert; und
elektronenleitendes Material mit einer Volumenkonzentra tion, die an der ersten Grenzfläche am größten ist und die über den Abschnitt der Elektrode hinweg abnimmt, wodurch eine Elektronentransportgeschwindigkeit definiert wird, die sich in entsprechender Weise über den Abschnitt (Schnitt) der Elektrode hinweg ändert.

13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Zone von im wesentlichen gleichen Elektronen transport und Ionentransport mit einem Abstand dichter zu der zweiten Grenzschicht als zu der ersten Grenzschicht angeordnet ist.

14. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Porosität besitzt, die sich über den Ab schnitt der Elektrode hinweg verändert und die am größten an der zweiten Stirnfläche ist.

15. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Porosität von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,7 besitzt.

16. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenleitende Material ein stabiles Metall ist, ein Graphit oder ein Graphitkunststoffcomposit.

17. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Protonen sind, und daß das ionenleitende Material ein Ionenaustauschpolymer ist, und zwar ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyperfluorsulfonsäurepolymeren und Polyperfluorcarboxylsäurepolymeren.

18. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator ein Edelmetall oder eine metallorgani sche Verbindung ist.

19. Zelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator ein Edelmetall ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Palladium und Le gierungen davon.

20. Zelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator eine metallorganische Verbindung ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cobaltporphyrin verbindungen, Eisenporphyrinverbindungen, Cobaltphthalo cyaninverbindungen, Eisenphthalocyaninverbindungen oder Mischungen daraus.

21. Poröse zusammengesetzte (Composit) Elektrode zur Verwen dung in einer elektrochemischen Zelle mit einer ersten Stirnfläche und einer zweiten Stirnfläche, die dazwischen einen Abschnitt (Schnitt) definieren, wobei die Composit elektrode folgendes aufweist:
Ionenleitermittel, die eine Ionentransportgeschwindigkeit durch die Elektrode definieren, wobei die Elektrode eine Volumenkonzentration der Ionenleitermittel besitzt, die am größten an der ersten Stirnfläche ist und die über den Ab schnitt hinweg sich vermindert;
Elektronenleitermittel, die eine Elektronentransportge schwindigkeit durch die Elektrode definieren, wobei die Elektrode eine Volumenkonzentration der Elektronenleiter mittel besitzt, die größer an der zweiten Stirnfläche ist und die sich über den Abschnitt hinweg vermindert; und
ein Elektrokatalysator, positioniert innerhalb des Ab schnitts in einer relativ engen Zone, wo die Elektronen transportgeschwindigkeit annähernd gleich der Ionentrans portgeschwindigkeit ist.

22. Elektrode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone von im wesentlichen gleicher Elektronen und Io nentransportgeschwindigkeiten mit einem Abstand dichter zu der ersten Stirnfläche als zu der zweiten Stirnfläche an geordnet ist.

23. Elektrode nach Anspruh 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Porosität besitzt, die sich über den Ab schnitt der Elektrode hinweg vermindert und die am größten an der zweiten Stirnfläche ist.

24. Elektrode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Porosität von ungefähr 0,6 bis ungefähr 0,7 besitzt.

25. Elektrode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitermittel aus einem elektronenleitenden Material aufgebaut sind, ausgewählt aus der aus folgendem beste henden Gruppe: einem stabilen Metall, einem Graphit, und einem Graphitplastikcomposit.

26. Elektrode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Protonen sind und daß die Ionenleitermittel auf gebaut sind aus einem Ionenaustauschpolymer, ausgewählt aus der aus folgendem bestehenden Gruppe: Polyperfluorsul fonsäurepolymeren und Polyperfluorcarboxylsäurepolymeren.

27. Elektrode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator ein Edelmetall ist oder eine me tallorganische Verbindung.

28. Elektrode nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator ein Edelmetall ist, ausgewählt aus der aus Platin, Rhodium, Palladium und Legierungen davon bestehenden Gruppe.

29. Elektrode nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator eine metallorganische Verbindung ist, und zwar ausgewählt aus der aus folgendem bestehenden Gruppe: Cobaltporphyrinverbindungen, Eisenporphyrinverbin dungen, Cobaltphthalocyaninverbindungen, Eisenphthalocya ninverbindungen oder Mischungen daraus.

30. Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wobei folgendes vorgesehen ist:
eine erste Zone zum Leiten von sowohl Elektronen als auch Ionen, freigesetzt durch elektrochemische Reaktionen in der elektrochemischen Zelle, wobei die Geschwindigkeit mit der die ersten Zone, die Elektronen transportiert, größer ist als die Geschwindigkeit, mit der die erste Zone Ionen transportiert;
eine zweite Zone zum Leiten von sowohl Elektronen als auch Ionen, freigesetzt durch die elektrochemischen Reaktionen, wobei die Geschwindigkeit, mit der die zweite Zone die Ionen transportiert, größer ist als die Geschwindigkeit, mit der die zweite Zone Elektronen transportiert;
eine dritte Zone, angrenzend an die ersten und zweiten Zonen und mit einer Ionentransportgeschwindigkeit und einer Elektronentransportgeschwindigkeit, die annähernd gleich sind; und
einen Elektrokatalysator zum Erhöhen der Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen, wobei im wesentlichen der gesamte Elektrokatalysator innerhalb der dritten Zone angeordnet ist.

31. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 95 Gew.% des Elektrokatalysators innerhalb der dritten Zone angeordnet sind.

32. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten Zonen eine Mischung aus Kohlenstoffschwarz und einem Ionenaustauschpolymer auf weisen.

33. Elektrode nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenaustauscher ein Polyperfluorsulfonsäurepolymer ist.

34. Elektrode nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten und dritten Zonen ferner ein Bindemittel aufweist.

35. Elektrode nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Polytetrafluorethylen ist.

36. Elektrode nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokatalysator eine metallorganische Verbindung ist, ausgewählt aus der aus folgendem bestehenden Gruppe: Cobaltporphyrinverbindungen, Eisenporphyrinverbindungen, Cobaltphthalocyaninverbindungen, Eisenphthalocyaninver bindungen oder Mischungen daraus, wobei der Elektronenka talysator auf der Oberfläche des erwähnten Kohlenstoff schwarz getragen wird.

37. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ferner folgendes vorgesehen ist: eine vierte Zone zum Leiten von Elektronen und angrenzend an die erste Zone.

38. Elektrode nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Zone ein relativ dickes Graphitgitter ist mit einer Masche von annähernd 50 bis 100 × 10^-4 cm.

39. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone eine Mischung aus einem vorkatalysierten Graphit und einem Ionenaustauschpolymer aufweist.

40. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone Stränge aus einem Ionenaustauschpolymer aufweist und Fasern aus wärmebehandelten Kohlenstoff, und zwar miteinander verwebt.

41. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone Stränge aus einem Ionenaustauschpolymer und Fasern aus Graphit miteinander verwebt aufweist.

42. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der die erste Zone Elektronen transportiert, annähernd das Zweifache der Geschwindigkeit ist, mit der die erste Zone Ionen transportiert.

43. Elektrode nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der die zweite Zone Ionen trans portiert, annähernd das Doppelte der Geschwindigkeit ist, mit der die zweite Zone Elektronen transportiert.