DE2101214A1

DE2101214A1 - Billig herstellbare Brennstoffzellen elektroden

Info

Publication number: DE2101214A1
Application number: DE19712101214
Authority: DE
Inventors: Ernest DeWitt NY Rifkm (V St A )
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1970-02-10
Filing date: 1971-01-12
Publication date: 1971-08-19
Also published as: FR2079349A1; AU2360970A; US3671317A

Description

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DR. WALTER NIELSCH

Patentanwalt

2 Hamburg 70 · Postfach 10914 F«rnrof: 6529707

United Aircraft Corporation, East Hartford

(Vereinigte Staaten von Nordamerika)

Billig herstellbare Brennstoffzellenelektroden

Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenelektroden und genauer ausgedrückt auf die Verwendung von billigen Elektrodenträgeraufbauten«

Elektrodenträger werden derzeitig aus kostspieligen Materialien hergestellt aufgrund der korrosiven Brennstoffzellenumgebung, Die Kosten sind jedoch die am meisten hemmenden Posten in der Entwicklung einer kommerziell verwendbaren Brennstoffzelle« Bei den Zellen mit Säureelektrolyten werden die Elektroden oft aus Tantaldrahtgitterunterlagen hergestellt* Während eine Tantalunterlage als Kathode recht brauchbar ist, liefert eine Tantalunterlage als Anode keine ausreichende Lebensdauer wegen des auftretenden Wasserstoffbrüchigkeitsproblems. Nickel und andere Materialien, welche in basischen Zellelektroden verwendet werden, besitzen Korrosionsprobleme. Die meisten Unterlagen werden aus 50 bis 100 mesh Drahtgittern mit 2 bis 4 mil (50,8 bis 1Ο1,6<μ) Drähten hergestellt.

Solche Elektrodencharakteristiken, wie hydrophile Mikroporen und hydrophobe Makroporen, sind an sich bekannt« Elektroden werden typisch so entworfen, daß der Elektrolyt zwischen ihren Oberflächen festgehalten wird, um eine Dreiphasenberührunge-*» · fläche in der Elektrode aufrechtzuerhalten. Zur richtigen

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Elektrodenfunktion muß die Elektrodenunterlage genügende Porengröfle und Porosität aufweisen, um dem umzusetzenden Gas Gelegenheit zu geben, einen Teil seines Volumens unterzubringen und auch gewissen Gebieten zu ermöglichen, mit dem Jonen aufweisenden flüssigen Elektrolyten überflutet zu werden. Elektroden durch Sintern eines abgeschiedenen Polymeren und Katalysators innerhalb der Poren eines porösen Metalls oder eines. Metallgitters weisen Korrosionsprobleme auf, denn die gesinterten Polymere sind notwendigerweise porös« Polytetrafluoräthylen (Teflon) und Copolymere aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen ist aufgrund seines hydrophoben Charakters und seiner wasserundurchlässigen Natur ein bevorzugter Polymerbinder. Die feuchtigkeitsstabilen Materialien, Binder und die Verfahren zur Herstellung von Elektroden sind gut bekannt. Wie schon ausgeführt, liefern die verwendeten Verfahren und Materialien nichtschützende poröse überzüge.

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellengasdif **usions elektroden aus billigen Aufbauten herzustellen·

Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist der Aufbau eines Elektrodenträgers mit einer doppelt aufgebrachten Überzugsschicht. Eine Ausbildung der Erfindung weist einen korrosionswiderstandsfähigen Schutzüberzug für poröse Elektrodenträger auf, der mit einer darüber angeordneten leitenden Katalysator-Binderzubereitung verträglich ist«

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen eines doppelten Überzuges, wobei die doppelten überzüge durch Aufbringen eines Thermoplasten auf einem billigen porösen Trägermaterial gebildet werden mit nachfolgender Verwendung eines Fluorokohlenstoffpolymerüberzuge8, der leitende Teilchen vorzugsweise mit Katalysator

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enthält. Ausgehärtet muß er mit dem ersten aufgebrachten Schutzüberzug verträglich sein. Ein Gesichtspunkt dieses Verfahrens betrifft seine Anwendbarkeit auf Drahtgitterträgermaterialien.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird ein poröser Metallträger, vorzugsweise ein Drahtgitter, erst gereinigt und mit einem aufgelösten fluorinierten Kohlenwasserstoff überzogen« Dieser Fluorkohlenwasserstoff wird ausgehärtet, um einen nichtporösen Überzug zu erhalten. Ein zweiter Überzug, bestehend aus fluoriniertea Kohlenwasserstoff und leitenden Metallteilchen, wird darüber angeordnet und danach ausgehärtet. Es ist gefunden worden, daß Vinylidenfluorid in einer Methylisobutylketon-Lösung einen zusammenhängenden porenfreien Überzug auf dem Träger liefert. Vinylidenfluorid ist plastisch und behält seina porenfreien Eigenschaften, selbst nach Aufbringen eines zweiten Überzuges, vorzugsweise aus Polytetrafluoroäthylen und Kohlenstoffteilchen· Ein geeignetes katalytisches Material kann mit den Kohlenstoffteilchen zugefügt werden·

Elektrodenträger bestehen aus einem tragenden Metalldrahtnetz oder Gitter aus Metall wie Stahl, Aluminium oder anderem Metall, welches nicht chemisch widerstandsfähig zu der Brennstoffzellen-Umgebung sein muß. Das Trägermaterial wirkt als ein Träger für den Ausgleich des Materials, welches der Elektrode -physikalische und chemische Charakteristiken liefert· Typisch wird das Trägermaterial vor dem Überziehen mit Sand gestrahlt, um alle scharfen Ecken zu entfernen· Der erste Überzug wird aus Kynar 202, einer Vinylidenfluoridkunstharz-Dispersion der Pennsault Chemical Corporation hergestellt. Das Vinylidenfluorid wird bis zu einer versprühbaren Konsistenz mit Methylisobutylketon verdünnt. Vinylidenfluorid ist besonders vorteilhaft, denn es löst sich in dem Lösungsmittel und ermöglicht dem Gemisch, leicht aufsprühbar zu sein und das Trägermaterial vollständig zu bedecken. Eine Schicht von mindestens 0,001 Zoll (0,025 mm) wird auf dem Träger angeordnet. Der überzug wird in einem herkömm-

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lichen Ofen 20 Minuten bei 260° C ausgehärtet. Ein festhaftender, zusammenhängender porenfreier Überzug wird durch die Verwendung dieser Kombination erhalten.

Analoge thermoplastische Materialien können verwendet werden, solange die Materialien die wichtige Eigenschaft der Korrosionswiderstandsfähigkeit gegen Elektrolyten der Zelle besitzen und in einem ausgewählten Lösungsmittel löslich sind und fähig sind, einen zusammenhängenden Film auf dem Elektrodenträger zu bilden. Das Sprühverfahren ist zum Aufbringen des Überzuges besonders geeignet, denn es liefert die gewünschte Überzugsschichtdicke, ohne die Lücken im Träger zu verstopfen. Vinylidenfluorid wird beim Härten zusammenfließen, denn dieses Material ist ein Thermoplast und wird zufriedenstellend die Wandoberflächen des Trägers bedecken. Die Auswahl von solchen Fluorkohlenstoffpolymeren, die sich nicht in einem Lösungsmittel lösen, ergeben poröse Überzüge, die keine Korrosionswiderstandsfähigkeit erlangen.

Ein zweiter Überzug aus vorzugsweise Polytetrafluorethylen, im Gemisch mit 50 bis 70$ Graphitteilchen, wird auf den Träger über den ersten Überzug gesprüht bis die Schichtdicke mindestens der Dicke des ersten Überzuges entspricht. Der zweite Überzug wird ebenfalls bei 260° C bei etwa 20 Minuten ausgehärtet. Der erste Vinylidenfluoridüberzug wird nicht beim zweiten Härtecyclus beschädigt und dient als eine Schutzschicht für den Träger. Der zweite Überzug liefert die erforderliche Leitfähigkeit auf einem Elektrodenträger mit einem Oberflächenwiderstand von 50 bis 150 0hm pro Zoll (20 bis 60 0hm pro cm ). Den zweiten Überzug läßt man beim Aushärten ein plastisches Fließen ausführen, um die Adhäsion sicherzustellen. Jedoch unnötiges Erhitzen ist zu vermeiden, da das Fließen dazu neigt, die Porosität des fertiggestellten Produktes herabzusetzen und die leitenden Teilchen zu überdecken. Ein katalytisches Material kann mit den Graphitteilchen zugefügt werden,

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so daß der zweite Überzug eine Kombination aus leitenden Teilchen und katalytischem Material.sein kann. Jedoch der Katalysator soll weniger als 10 Gew.-^ betragen. Die Qraphitteilchen, Katalysator, Polymeres und Dispergiermittel müssen versprühbar sein. Es ist erforderlich, daß die Zubereitung einen anhaftenden porösen Film bildet. Die Graphitteilchen sind typisch im Bereich von 50 bis 70$ anwesend, der Rest besteht aus Polymerem und Katalysator. Die Auswahl der Anteile an Lösungsmittel, um eine versprühbare Konsistenz zu erhalten, liegt im Erfahrungsbereich eines Fachmannes. Beide Aushärtungsstufen müssen oberhalb der Arbeitstemperatur der Zelle liegen. Die Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Herstellung eines hoch korrosionswiderstandsfähigen leitenden Elektrodenträgers, der aus einem Sieb oder porösen Metallträger besteht, der mit einer ersten nicht porösen Schicht aus Vinylidenfluorid und einer zweiten porösen. Schicht aus Graphit und Polytetrafluoroäthylen überzogen ist. Diese Überzüge haben.im allgemeinen eine Schichtdicke von etwa 0,001 Zoll (0,025 mm).

Claims

Patentansprüche:

Verfahren zur Herstellung von verbesserten porösen Gasdiffusionsbrennstoffzellenelektroden, gekennzeichnet durch das Aufbringen von doppelten Überzugsschichten, die gleichförmig auf einen porösen Metallträger aufgetragen werden durch die folgenden Arbeitsstufen:

a) Verdünnen einer Polymerdispersion mit einem Lösungsmittel, so daß das Polymere in dem Lösungsmittel aufgelöst vorliegt und als leicht versprühbares Überzugsmittel vorliegt,

b) Besprühen des porösen Trägers mit der verdünnten Polymerdispersion in Lösung bis eine erste Überzugsschicht von mindestens 0,025 mm Schichtdicke vorliegt,

c) Aushärten der ersten Überzugs schicht bei etwa 260° C für etwa 20 Minuten, um einen nichtporösen Überzug zu erhalten,

d) Herstellen einer zweiten Dispersion eines Polymeren mit einem Dispergiermittel und 50 bis 70 Gew.~# Graphitteilchen,

e) Besprühen mit der verdünnten Polymer- und Graphitlösung zur Bildung einer zweiten Schicht über dem ersten Überzug bis die Schichtdicke des ersten Überzuges mindestens erreicht werden ist und

f) Aushärten der zweiten Überzugeschicht bei etwa 260° C für etwa 20 Minuten.
2.) Verfahren gem£ß Anspruch 1, daclurch gekennzeiciinet, daß der poröse Träger in ge^andstrffi^-ter form bssprifht wird.

ORIGINAL INSPECTED
3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Träger als Sieb eingesetzt wird.
4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere des eingesetzten ersten Überzugsmittels aus Vinylidenfluorid verdünnt mit Methylisobutylketon besteht und das Polymere des zweiten überzugsmittels aus Polytetrafluoroäthylen besteht und die Polymeren so ausgewählt eingesetzt werden, daß der erste Überzug aus einem m porenfreien dichten Überzug besteht und der zweite poröse Überzug einen festhaftenden elektrisch und thermisch leitenden Überzug bildet und die Aushärtestufen so ausgeführt werden, daß das Polytetrafluoroäthylen nicht schmilzt und während ties Härtens zusammenfließt.
5.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Stufe des Vermischens mit dem Polytetrafluoroäthylenüberzugsmittel und den Qraphitteilchen und einem katalytischen Material in Mengen von nicht mehr als 10 Gew#-i£.

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