DE1671476B1

DE1671476B1 - Gas diffusionselektrode fuer elektrochemische vorrichtungen insbesondere fuer brennstoffelemente und elektrolyseure

Info

Publication number: DE1671476B1
Application number: DE19661671476
Authority: DE
Inventors: Winsel August Dipl-Phys Dr
Original assignee: Siemens AG; VARTA AG
Current assignee: Siemens AG; VARTA AG
Priority date: 1966-03-17
Filing date: 1966-03-17
Publication date: 1971-12-30
Also published as: GB1169812A; BE694412A; CH469368A; SE311013B; NL6701326A; FR1514681A; US3660166A

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Gns-Diffusianseleklrode für elektrochemische Vorrichtungen, insbesondere Brennstoffelemente und Elektrolyseure, bei der das poröse elektrochemisch aktive Material eine geschlossene, von Dichtungsmaterial. vorzugsweise aus Kunststoff, eingegrenzte Fläche bedeckt, wobei das gesamte Dichtungsmaterial und zumindest Flüchenteile des elektrochemisch aktiven Materials eine metallische, poröse und/oder perforierte Trägerfolie beidseitig bedecken und zumindest teilweise deren Öffnungen ausfüllen.

Um die Konzentrationspolarisation zu beseitigen, ist in der deutschen Patentschrift 1 164 525 bereits vorgeschlagen worden, frischen Elektrolyten durch die Eleklrodenporen unter Ausnutzung des Druckgefälles zwischen Gas- und Elektrolytseite durchzudrücken und den dabei verdrängten F.lektrolyten aufzuarbeiten und dein Element wieder zuzuführen. Die für die Aufhebung der Konzentrationspolarisation benötigten Elektrolytmengen sind jedoch zu gering, um die bei den elektrochemischen Vorgängen anfallende Wärmemenge aus dem Brennstoffelement bzw. der Elektrolysezelle abzuführen. Dies trifft besonders dann zu. wenn die Elektroden der Batterie nur durch dünne feinporige Diaphragmen voneinander getrennt sind. da hier einmal verhältnismäßig viel Wäime auf kleinem Raum frei wird und zum anderen der Druck, unter dessen Einwirkung der Elektrolyt die Poren von Elektroden und Diaphragmen durchströmt, nicht so stark erhöht werden kann, daß die Wärme vermittels ties Elektroofen abzuführen ist.

Es hind zwar Elektioden für elektrochemische /eilen bekannt, die einen metallischen, porösen und oder perforierten Träger aufweisen, dessen Poren mit elektrochemischem Material ausgefüllt sind (vgl. die französische Patentschrift 1410 157 und die USA.-Patenisduifl 2 384463. Durch Verwendung eines solchen Trägers allein ist es jedoch nicht möglich. die nil Inneren von Brennstoffelementen oder Elektrolyvjiireji entstehende Wanne schnell und sicher 4" abzuführen.

fs i,t auch bekannt, Elektroden aus platinierten Mt:iallnet/en mit Dichlungsrahmen ai umgeben, wobei die äußeren Bereiche des Metallnetzes von dem Dichtimgsrahmen bedeckt sein inüs.->en. um eine ein- »5 wandfieie Abdichtung zu ei zielen. Auch durch diese Maßnahme kann eine schnelle Wärmealiführung nicht erzielt werden, sie wird sogar behindert.

Fs ergab sich die Aufgabe, einfach herzustellende Elektroden zu entwickeln, die bei hoher Zugfestigkeit leicht sind und vor allem die Möglichkeit bieten, die in ihrem Bereich entstehende Wanne unmittelbar und schnell abzuführen.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß bei der Elektrode, die eine poröse oder perforierte Trägerfolie besitzt, Teile der Trägerfolie über die vom elektrochemisch aktivem Materia! und dem Dichtungsmaterial bedeckte Fläche hinausragen.

Eine derartige Gas-Diffusionseleklrode ist dünn und leicht, sehr zugfest, gut abgedichtet und ist vor So allem in der Lage, die in der Zelle auftretende Wärme schnell abzuführen.

Eine Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Elektrode ist schematise}) in Fig. I wiedergegeben. Die Elektrode besteht aus einem Drahtnetz, einem Siebblech oder einer Sinlerfolie 11, die in einem zentralen Bereich 12 beidseitig mit dem elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterial derart beschichtet ist, daß auch die Öffnungen des Netzes oder Siebes bzw. die Oberflächenporen der Sinterfolie von diesem Material möglichst ausgefüllt sind. Die poröse oder perforierte Trägerfolie 11 enthält nur in einem wesentlichen Teil des zentralen Bereiches der Elektrode das elektrochemisch aktive Material, wobei der zentrale Bereich von einer überall gleich hohen Randeinfassung 13 aus Dichtungsmaterial, z. B. aus Kunststoff, umgeben ist und die Trägerfolie in einem oder mehreren Bereichen über die Randeinfassung 13 hinausragt. Dieser Aufbau der Elektrode ermöglicht die Zu- bzw. Abführung der Betriebsstoffe über Bohrungen 14 und 15 in der rahmenartigen Dichtungsschicht, durch die auch der Betriebsstoff für die gegenpoligen Elektroden über Bohrungen 16 und 17 zugeführt wird. Da der Ttäger Zugkräfte in der Elektrodenebene aufnimmt, können die Dichtungsstreifen, die keine derartigen Bohrungen tragen, sehr schmal — wie bei 13
ausgebildet werden. Die Dichtungsränder bewirken im Verein mit den zwischenliegenden Diaphragmen die Abdichtung gegen den Austritt von Gas oder Flüssigkeit dann besonders gut, wenn auch die Diaphragmenränder abgedichtet oder hydrophobiert sind. Da das Trägermaterial in einem oder in mehreren Bereichen über den Kunststoffrand fahnenartig hinausragt, lassen sich die elektrischen Verbindungen zw ischen den einzelnen Elektroden außerhalb der Dichtung durch Verlöten, Verschrauben oder Verschweißen der Fahnen untereinander oder mit Hilfe von Sammelschienen herstellen. Die über den Dichtiuig-.-lahmen hinausreichenden Fahnen weisen gegenüber dem die Zeile umgebenden flüssigen oder gasförmigen Medium eine große Oberfläche auf und bilden dalier wirksame Wärmeaustauscherflächen.

In F ä g. 2 ist die Kontaktierung und die Wärmeabführung über die Fahnen schematised dargestellt. Die Anoden 21 werden auf der einen Seite, die Kathoden 22 auf der anderen Seite mit Stromschienen 2.1 bή . 24 verbunden. Zur intensiven Kühlung wird das Kühlmedium senkrecht zur Ebene der Elektroden durch die Fahnen hindurchgeführt.

Das Aufbringen der elektrochemLch aktiven Masse auf die Trägerfolie kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zweckmäßigervveise ν ei wendet man ein angeätztes Metallnetz, z. B. aus Nickel auf das man beiseitig vorgefertigte rechteckige oder runde Scheiben des Elektrodenmaterials auflegt. Diese werden Jaim so angepreßt, daß sie die Perforationen der Net« bzw. Siebe möglichst ausfüllen, und anschließend gesintert oder gleich bei erhöhter Temperatur durch Heißpressen verfestigt und derart mit dem Träger verbunden. Man kann die Trägerfolien auch durch eine Walze laufen lassen, in der es mit dem elektrochemisch aktiven Material beschientet wird. Anschließendes Sintern oder Heißpressen stellt den Verbund zwischen Träger und Elektrodenmaterial her.

Zur Anfertigung des Dichtungsrahmens kann man einen Thermoplasten verwenden, der bei seiner Verarbeitungstemperatur auf die in .einer Preßform befindliche Elektrodenmatte aufgetragen wird. M;m kann den Rahmen aber auch aus einem Gießharz herstellen, indem man die Eiektrodenmatte in eine geeignete Form einlegt und dann das Harz vergießt und verfestigt.

In Fig. 3 sind zwei ringartige Bereiche der Trägerfolie U von aktiver Elektrodenmasse frei. Diese Masse nimmt die rechteckige Fläche 12 ein, während die Einfassung mit 13 bezeichnet ist.

Man kann auch gemäß F i g. 4 und 5 das aktive Elektrodenmaterial 42, 52 ringartig auf den Tiäger, dessen Fahnen mit 41 bzw. 51 bezeichnet sind, aufbringen und innen wie außen je einem Kunst stoffrand 43 und 44 bzw. 53 und 54 einfassen. In diesem Fall 5 bilden die fertigen Elektroden nach dem Zusammenbau zur Batterie einen von den Trägerfolien durchquerten Kanal 48 bzw. 58. durch den man bei entsprechender Anpassung der Diaphragmen das Kühlmedium leiten kanu. ίο

Beispiel

Ein Nickelnetz von 35 μ Maschenweite und 50 μ Drahtstärke wird in heißer wäßriger Salzsäure angeätzt, gewaschen und getrocknet. Sodann schneidet man ein kreisrundes Stück von 80 mm Durchmesser aus und spannt es zwischen die beiden Hälften einer zweigeteilten Preßmatrize, in die eine Matrizenhälfte wird ein Preßstempel soweit eingeführt, bis er das Netz berührt. Danach wird von der anderen Seite in ao die 40 mm dicke Preßbohrung 6 g Doppelskelett-Katalysatormaterial eingestiichen. der Stempel eingeführt und anschließend von der anderen Seite her ebenfalls 6 g des weiter unten beschriebenen Doppelskelett-Katalysatormaterials eingefüllt. Danach erwärmt man die Matrize auf 4(K) C und verdichtet das die Trägerfolie umgebende Pulver unter einem Druck von 301. Danach werden die beiden Hälften der Matrize auseinandergeschraubt und die Elektrodenmatte herausgenommen.

Auf beide Seiten der Trägerfolie werden 1.5 mm dicke Scheiben aus Polyäthylen von 41 mm Innen- und 60 mm Außendurchmesser aufgelegt und bei 18()^JC zwischen zwei geheizten Stahlplatte» miteinander verschweißt und auf Elektrodenstärke gedruckt. Trotz der schlechten Wärmeleitung verschweiße» die Scheiben sehr gut miteinander, weil das Drahtnetz für eine gute Wärmezufuhr sorgt. Es bleibt ein überstehender ringförmiger Rand des Drahtnetzes von 2(1 mm Üreite stehen, der erfimlungsgemäß zur Wärmeabfuhr aus der Zelle dient.

Sauerstoff- und Wasserstoffelektroden für Brennstoffelemente werden in gleicher Weise hergestellt. Sie unterscheiden sich lediglich in der Art des für den Elektrodenaufbau verwendeten Doppelskelett-Katalysatormaterials (DSK-Material). So bestand die Mischung der Wasserstoffelektrode aus 2 Gewichtsteilen Carbonylnickel (Korngröße <7 μ), 1 Gewichtsteil Raney-Nickellegierung (AhNi -- 50:50 Gewichtsprozent, Korngröße 35 bis 50 μ). Für die Sauerstoffelektrode enthielt die Mischung 2,5 Gewichtsteile Carbonylnickel und 1 Gewichtsteil Raney-Silberlegierung(AI: Ag - 35: 65 Gewichtsprozent. Korngröße • '35 μ). Nach der Aktivierung in heißer KOIl-Lüsinig wurde» die Elektrodenränder mit Bohrungen für die Führung der Reaktionsgase versehen und /u einem Elektrodenblock aus jeweils zwei Wasserstoff- und zwei Sauerstoffelektroden in Parallelschaltung zusammengesetzt. Der Elektrodenblock war mit 4 Λ bei 0.7 V belastbar.

Man kann als elektrochemisch aktives Material viele andere bekannte Elektrodensubsianzen verwenden: es sei auch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß ein Brennstoffelement, welche·, mit Eileklioden gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, auch mit anderen Betriebsstoffen als mit den vorher genannten Gasen Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden kann.

Die als Netz. Sieh oder poröse Sinterscheibe ausgebildete Trägerfolie übernimmt die Aufgaben einer Gasleitschicht. Ist im zentralen Bereich der Elektrode keine Trägerfolie vorgesehen, so wird bei der Elektrodenherstellung zwischen die beiden Schichten aus elektrochemisch aktivem Material eine uröberporöse bis grobzellige Mittelschicht eingebaut!

Claims

Patentansprüche:

1. Gas-Diffusionselektrode für elektroi.hcini-.chc Vorrichtungen, insbesondere Brennstoffelemente und Elektrolyseure, bei der das poröse elektrochemisch aktive Material eine geschlossene, von Dichtungsmaterial, vorzugsweise aus· Kunststoff, eingegrenzte Fläche bedeckt, wobei das gesamte Dichtungsmaterial und zumindest Flädienteile des elektrochemisch aktiven Materials eine metallische, poröse und oder perforierte Trägerfolie beidseitig bedecken und zumindest teilweise deren Öffnungen ausfüllen, dadurch g e k e π η zeichnet, daß Teile der Trägerfolie (11. 4!. 5!) über die vom elektrochemisch aktiven Material (12, 42, 52} und dem Dichtungsmaterial (13. 43 44. S3, 54) bedeckte Fläche hinausragen.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsstreifen (13. 4i. 41. 53, 54) Ausnehmungen (ί-4₄ 15. 16, 17) für die Zu- und Ableitung der Betriebsstoffe aufweist

3. Elektrode nach ilen Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß tue poröse Trägcifolie (II, 41, 48, 51. 58) aus gesintertem Metallpulver oder einem Drahtnetz besteht.

4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemisch aktive Materia! einen von einer Abdichtung umgebenen Bereich der Trägerfolie ilächeninäßig umschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen BAD