DE4142712C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ionen- und elektronenleitenden Formkörpern mit katalytischen Eigenschaften, wie man sie für Elektroden in Brennstoffzellen und Elektrolysezellen benötigt.

Von Elektroden in Brennstoffzellen mit ionenleitendem Feststoffelektrolyt werden neben einer guten Elektronenleitfähigkeit eine gute Ionenleitfähigkeit und gute katalytische Eigenschaften (Strasser, K.: Mobile fuel cell development at Siemens, Journal of Power Sources, 37 (1992) 209-219), wie sie z. B. durch eine Platinbeschichtung erreicht werden, gefordert. Daneben hat die freie Oberfläche, die eine Elektrode aufweist, entscheidenen Einfluß auf das Leistungsgewicht einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle. Durch die Verwendung von feinem Pulver mit Teilchengröße kleiner 1 µm lassen sich freie Oberflächen (BET- Oberflächen) bis zu 750 m² pro Gramm Elektrodenmaterial erzielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus ionenleitenden Polymerpulvern und elektronenleitenden Metallpulvern, beide nur teilweise mit einer dünnen Platinschicht oder anderen katalytisch wirksamen Materialien, wie Palladium, Nickel, Silber oder Perowskite überzogen, durch Pressen der Pulvermischungen unter Edelgasatmosphäre oder im Vakuum bei Temperaturen zwischen 100 und 500°C zu entwickeln, bei dem die Formkörper möglichst porös bleiben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei werden insbesondere Polymerpulver einer Ionenimplantation und einer primären Ionenstrahlbeschichtung mit katalytisch aktiven Substanzen wie z. B. Platin, ausgesetzt.

Erläuternd sei dazu noch bemerkt:
Bei der Ionenimplantation werden die aus der Ionenquelle auf das Substrat hin beschleunigten Ionen nicht auf die Oberfläche eines Materials aufgebracht, sondern im Substratmaterial verankert, indem die aus der Ionenquelle beschleunigten Ionen in das Substrat eindringen. Bei der primären Ionenstrahlbeschichtung werden Schichten auf die Oberfläche eines Substrats in folgender Weise aufgebracht (nicht verankert, also nicht implantiert): die Ionen werden direkt aus der Ionenquelle auf das Substrat hin beschleunigt, wo sie sich als Schicht niederschlagen.

Bei der sekundären Ionenstrahlbeschichtung werden Schichten auf die Oberfläche eines Substrats in folgender Weise aufgebracht (nicht verankert, also nicht implantiert): die Ionen werden aus der Ionenquelle zunächst auf ein sog. Target (bestehend aus einem Feststoff wie Kupfer, Nickel etc.) hin beschleunigt, das durch den Aufprall der Ionen zerstäubt wird. Die vom Target abgestäubten Teilchen schlagen sich dann als Schicht auf dem Substrat nieder.

Vorzugsweise werden die Polymerpulver, wenn sie z. B. aus Polytetrafluorethylenkörnchen bestehen, mit Schwefel- und Sauerstoffionen implantiert, wobei die Energie 100 bis 1000 keV beträgt; bestehen die Polymerpulver beispielsweise aus Polyacetylen. So eignet sich zur Implantation Jod oder Natrium. Die zu implantierenden Substanzen sind davon abhängig, ob man eine Ionenleitung oder Elektronenleitung in den Polymerpulverteilchen anstrebt.

Die Polymerpulver werden vor dem Mischen mit den anderen Pulvern durch Ionenimplantation dotiert. Dabei wird die Elektronenstruktur der Polymerketten so modifiziert, daß der Durchtritt bestimmter Ionen, z. B. Wasserstoffprotonen, ermöglicht wird. Analog gilt dies für Elektronen, die sich dann frei im "Leitungsband" der Polymerketten bewegen können. Der dotierte Fremdstoff entfernt dabei Elektronen aus der Polymerkette oder fügt welche hinzu. Damit verliert entweder das oberste vollbesetzte Energieband Elektronen, oder das bisher unbesetzte Band nimmt welche auf. In beiden Fällen erhält das Material, was es zur Leitung braucht: ein nur teilweise gefülltes Energieband. Anstelle von Polymerpulvern können auch keramische Pulver verwendet werden.

Nach dem Mischen der Pulver werden diese unter eine Edelgasatmosphäre oder im Vakuum so verpreßt, daß die Porendurchmesser im Durchmesser 0,1 bis 5 µm betragen, um eine gleichmäßige Beaufschlagung der Elektrode mit Gas oder Flüssigkeit zu gewährleisten.

In einem zweiten Schritt kann zwischen zwei Elektroden eine ionenleitende Folie aus Polymer oder Keramik gelegt und mit den Elektroden zusammen verpreßt werden, so daß es entweder an den Nahtstellen zwischen Elektrode und Folie zur Bildung gemeinsamer Polymerketten oder zur Ausbildung von Sinterhälsen kommt, womit eine Unterbrechung der Ionenleitung verhindert wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern für Elektroden in Brennstoffzellen in Elektrolysezellen, durch Pressen und Sintern von Mischungen aus Metallpulvern, Keramikpulvern und Polymerpulvern, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver vor oder nach dem Mischen durch Ionenstrahlbehandlung ionenleitend, elektronenleitend und/oder katalytisch wirksam gemacht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochenergetischer Ionenstrahl mit einer Energie von 50 bis 200 keV zur Implantation von Elementen und deren Verbindungen mit einem Ionenstrahl mit einer Energie zwischen 50 eV bis 3000 eV zur primären und/oder sekundären Beschichtung von Pulvermischungen mit Elementen und deren Verbindungen gemischt werden (Ion Beam Mixing).