DE2204549C3 - - Google Patents
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Description
25
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines porösen Kohlenstoffkörpers in einer Zelle wie zum Beispiel in
einer Brennstoffzelle, einer Luftzelle und dergleichen als Kohlenstoffelektrode.
Bisher wurden die Kohlenstoffelektroden für die Verwendung in einer Brennstoffzelle oder einer
Luftzelle in der Weise hergestellt, daß Materialien mit einem Bindemittel gemischt wurden, daß aktiviertes
Holzkohlenpulver ausgeformt und zusammengebacken wurde oder daß Ruß auf die Oberfläche eines aus Platin
oder dergleichen hergestellten Trägers aufgebracht wurde. Kohlenstoffelektroden dieser Art besitzen
jedoch neben der geringen Festigkeit und der geringen Durchlässigkeit für ein durchströmendes Mittel, wenn
ein solches benutzt wird, die Nachteile, daß sie relativ kleine Oberflächengrößen aufweisen und eine nur
geringe Stromdichte pro Oberflächeneinheit erlauben, was auf die Schwierigkeiten in der Steuerung der
gleichmäßigen Verteilung von Poren, die im wesentlichen den gleichen Durchmesser besitzen, zuriickzuführen
ist
Wenn in diesem Zusammenhang der Ausdruck »Pore« benutzt wird, so wird darunter der Hohlraum
der porösen Struktur verstanden, der eine sehr kleine Durchgangsöffnung für ein durchströmendes Medium
freigibt, wenn ein solches benutzt wird. Der Durchmesser
der Pore gibt daher den Durchmesser der sehr kleinen Durchgangscffnung an, wenn man annimmt, daß
Die bisher für den vorstehend beschriebenen Zweck bekannten Kohlenstoffelektroden sind in mehrfacher
Hinsicht unbefriedigend. Sie weisen einmal eine ungenügende Festigkeit auf, sie besitzen weiterhin ein
zu geringes Oberflächen/Gewichtsverhältnis und lassen demzufolge nur unzureichende Strombelastungen zu. eo
Darüber hinaus ist auch die Lebensdauer der bekannten Kohlenstoffelektroden unzureichend.
Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese den bekannten Kohlenstoffelektroden
anhaftenden Nachteile zu beseitigen und eine Kohlen- es Stoffelektrode für Brennstoffzellen oder Luftzellen zu
schaffen, die sich durch eine hohe Festigkeit, eine mäßige Porosität und ein relativ großes Oberflächen/
Gewichtsverhältnis auszeichnet und somit hohe Stromdichten ermöglicht
Gelöst wird diese erfindungsgemäße Aufgabe durch Verwendung eines porösen Kohlenstoffkörpers aus
einer ausgeformten und in nicht oxidierender Atmosphäre karbonisierten Masse aus hohlen Kohlenstoffmikrokugeln
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 bis 100 μπι und Wanddicken von 0,5 bis 25 um und
einem Bindemittelgehalt von 5 bis 60 Gew.-°/o der hohlen Kohlenstoffmikrokugeln, der einen mittleren
Porendurchmesser von 0,5 bis 20 μπι, eine Porosität von
5 bis 50%, eine Dichte von 0,2 bis 0,9 g/cm3, ein Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht von 600 bis
2000 m2/g und eine Druckfestigkeit von 20 bis 400 kg/cm2 aufweist, in einem Metali-Luft-Element in
durch Oxidation aktivierter Form oder in einem Brennstoffelement in durch Oxidation aktivierter und
mit einem Katalysator versehener und gegebenenfalls hydrophobierter Form.
Die in dem erfindungsgemäß verwendeten porösen Kohlenstoffkörper enthaltenden hohlen Kohlenstoffmikrokugeln
sind in der eigenen deutschen Patentanmeldung P 21 26 262.4 im einzelnen näher beschrieben und
auch das Verfahren zu ihrer Herstellung ist dort detailliert erläutert
In der deutschen Offenlegungsschrift 19 63 325 ist
bereits die Verwendung derartiger hohler Kohlenstoffmikrokugeln als Füllstoff geringer Dichte für Kunststoffe
erwähnt und in dem eigenen nicht vorveröffentlichten deutschen Patent 21 53 308 wurde den Anmeldern
bereits ein poröser Gegenstand aus Kohlenstoff unter Schutz gestellt, der aus einer ausgeformten und in nicht
oxidierender Atmosphäre karbonisierten Masse aus hohlen Kohlenstoffmikrokugeln mit einem mittleren
Teilchendurchmesser von 1 bis 1000 μπι, einem Schüttgewicht
von 0,01 bis 0,8 g/cm3 und einer mittleren Wanddicke von 0,1 bis 100 μπι und 4 bis 40 Vol.-% eines
Bindemittels bezogen auf die hohlen Kohlenstoffmikrokugeln besteht und ein spezifisches Gewicht von 0,05 bis
1,00 g/cm3, eine Druckfestigkeit von 5 bis 500 kg/cm3, eine Temperaturbeständigkeit unter nicht oxidierender
Atmosphäre bis zu 30000C, eine Gaspermeabilität von
0,2 bis 10 cm3 · cm/cm2 · cmH20 · s und eine Wasserpermeabilität
von 2 bis 200 · 10~4cm3 · cm/
cm2 · cmH2O · saufweist
Die erfindungsgemäß als Kohlenstoffelektrode in Metall-Luft-Elementen beziehungsweise Brennstoffelementen
verwendeten porösen Kohlenstoffkörper werden unter Anwendung der folgenden Verfahrensschritte
hergestellt: Mischen der hohlen Kohlenstoffmikrokugeln mit einem Bindemittel wie zum Beispiel einem
wärmehärtenden Harz oder einem Hochpolymeren, Ausformen der Mischung, um einen rohen Kohlenstoffkörpcr
für cir.c Elektrode zsi üeferr., Aufheizen und
Karbonisieren dieses besagten Körpers mit daran anschließender Aktivierung desselben.
Die auf diese Weise hergestellte Kohlenstoffelektrode weist eine poröse Struktur auf, in der hohle
Kohlenstoffmikrokugeln aneinander gebunden sind und die dadurch gleichmäßig verteilte Poren besitzt, deren
Durchmesser im wesentlichen dieselben sind. Dieses wiederum ergibt für die erfindungsgemäße Verwendung
derartiger Kohlenstoffelektroden eine größere wirksame Oberflächenzone, verbunden mit einer größeren
Durchlässigkeit für ein durchströmendes Mittel, wenn ein solches benutzt wird und eine höhere mechanische
Festigkeit Die bei der Verwendung derartiger hohler Kohlenstoffmikrokugeln gebildete poröse Struktur
ermöglicht die raschere, aber auch tiefere Durchdringung
mit einem durchströmenden Mittel, wodurch eine größere Aktivieningswirksamkeit mit Hilfe des großen
Oberfläche/Gewicht-Verhältnisses erreicht wird. D'ie;;e
erwünschenswerten Vorteile führen zur Bereitstellung von wesentlich größeren Stromdichten pro Einheit der
Oberfläche, einer größeren mechanischen Festigkeit, einer langen Lebensdauer, einer Kompaktheit, leichtem
Gewicht und geringerer Gesamtdichte.
Was die Ausgangsmaterialien für die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoffkörper betrifft,
so handelt es sich dabei einmal um die hohlen Kohlenstoffmikrokugeln als Grundmaterial und weiterhin
um ein Bindemittel als weiteres Ausgangsmaterial. Die äußerst wichtigen hohlen Kohlenstoffmikrokugeln
weisen einen Teilchendurchmesser von 5 bis 100 μπι und
eine Wandstärke von 0,5 bis 25 um auf wobei dieselben
aus hartem Kohlenstoff bestehen.
Ein zu geringer Korndurchmesser führt zu einem r.u
geringen Porendurchmesser mit daraus resultierender geringer Fähigkeit zur Gasdiffusion. Im Gegensatz
hierzu werden die Durchmesser der Poren zu groß, wenn der Teilchendurchmesser zu groß ist, was zu einer
zu hohen Durchlässigkeit führt. Auf der anderen Seite entsteht eine zu geringe Festigkeit, wenn die Wandstärke
zu klein ist Ist die Wandstärke im Gegensatz dazu zu groß, werden Aktivierungsschwierigkeiten auftreten.
Das Verfahren zur Herstellung solcher hohler Kohlenstoff-Mikrokugeln
geht von dem Pech aus, das durch Bearbeitung in die Form kleiner Kugeln gebracht wird
und dann den Verfahrensschritten unterworfen wird, durch die kleine Kugeln mit hohlen Strukturen
entstehen, die unschmelzbar gemacht, aufgeheizt und karboniert werden. (Siehe in diesem Zusammenhang die
deutsche Patentanmeldung P 21 26 262.4).
Die als weitere Ausgangsmaterialien dienenden Bindemittel umfassen wärmehärtende Harze oder
karbonisierbare Hochpolymere. Die ersten umfassen ein Phenolharz, ein Furfurylalkoholharz, Imidharz,
Silikonharz, Epoxyharz, Furanharz und Urethanhani.
Andererseits umfassen die karbonisierbaren Hochpolymeren beispielsweise Polyvinylchlorid, Harz auf Polyvinyliden-Basis,
Polyvinylidenfluorid, Polyacrylnitril, Polyvinylalkohol,
Stärke, Karamel, Hirsegelee. Bei den Anwendungen von derartigen wärmehärtenden Hainen
oder karbonisierbaren Hochpolymeren können beim Gebrauch Härter oder Lösungsmittel nach Bedarf
zugesetzt werden.
Das Verfahren zur Herstellung einer porösen Kohlenstoffelektrode für die erfindungsgemäße Verwendung
umfaßt die Verfahrensstufen des Ausformens, Carbonisieren, der Aktivierung und der Nachbehiindlung.
In dem ersten Verfahrensschritt, d.h. dem Ausformen wird die gewünschte Art der hohler.
Kohlenstoffmikrokugebi und der Bindemittel ausgewählt,
die von den geforderten physikalischen Eiisenschaften
abhängen, wie z. B. der Gleichmäßigkeit der Porenverteilung, der Aktivierung, der Festigkeit usw.
Dann wird gemäß der gewünschten physikalischen Eigenschaften das Mischungsverhältnis der hohlen
Kohlenstoffmikrokugcln zu dem Bindemittel bestimmt,
worauf das innige Mischen der beiden erfolgt Obgleich das Mischungsverhältnis mit den gewünschten Eigenschaften
der Elektroden variieren kann, sollte dsis Mischungsverhältnis der hohlen Kohlenstoffmikrokugeln
zu dem Bindemittel in dem Bereich von 100: S bis 100:60 Gewichtsteilen Hegen. Wenn daher der Anteil
des Bindemittels kleber als in dem oben angegebenen Bereich ist wird eine zu geringe Bindungsfestigkeit
erreicht werden, mit dem Ergebnis, daß Klumpen entstehen, was wiederum Schwierigkeit beim Ausheizen
oder Aktivieren verursacht Die gut durchgerührte Mischung aus hohlen Kohlenstoffmikrokugeln und dem
Bindemittel wird dann in einer Metallform unter Druck gesetzt und danach erhitzt Wenn es erforderlich ist
kann das erhitzte Material einem weiteren Aufheizen unterworfen werden, um die maximale Härte zu
ίο gewährleisten. Der Ausformdruck kann mit den
erforderlichen physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoffelektrode variieren, aber im allgemeinen sollte
er vorzugsweise unter 50 kg/cm2 liegen. Wenn der
Ausformdruck diese Grenze überschreitet tritt leicht Zusammenballung oder das Zusammenbrechen der
hohlen Kohlenstoff-Mikrolrugeln auf. In dem zweiten
Verfahrensschritt d. h. der Aufheizungsstufe, wird der durch Mischen der hohien Kohlenstoff-Mikrokugeln mit
dem Bindemittel erhaltene ausgeformte Körper dem Karbonisieren unterworfen. Oder spezieller ausgedrückt
der ausgeformte oder rohe Kohlenstoffkörper, der aus den hohlen Kohlenstoff-Mikrokugeln gebildet
worden ist wird unter nicht oxydierender Atmosphäre zum Zwecke der Karbonisierung aufgeheizt Die nicht
oxydierende Atmosphäre umfaßt vorzugsweise inerte Gase wie N2, Ar oder He, eine karbonisierende
Atmosphäre, -jie durch Bedecken des rohen Kohlenstoffs
mit Kokspulver und dergleichen erhalten worden ist, oder Vakuum. Es wird weiterhin als sehr vorteilhaft
angesehen, den rohen Kohlenstoff bis auf etwa 10000C
zu erhitzen, was mit einer Aufheizrate von 20°C/h bis 200° C/h geschieht Wenn die Aufheizrate hierbei zu
groß ist, wird Zerstörung oder eine Rißbildung in den Produkten auftreten. Wenn die Aufheizrate im Gegensatz
dazu zu gering ist dann ergibt sich eine zu geringe Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung. Wenn es
erforderlich ist, kann das auf diese Weise erhaltene Produkt einer weiteren Wärmebehandlung bei einer
konstanten Temperatur von 850° C bis 20000C unterworfen
werden, um die maximale Karbonisierung sicherzustellen. Bei dem dritten Verfahrensschritt d. h.
der Aktivierungssüife, wird das Produkt das dem
Aufheizen und Karbonisieren unterworfen worden war, dann oxydiert, um seine Oberfläche aufzurauhen, damit
dadurch die Oberflächengröße erhöht wird mit dem Ziel, die Aktivierungswirksamkeit zu vergrößern. Das
bevorzugte Aktivierungsverfahren umfaßt ein Aktivierungsverfahren bei tieferer Temperatur (die exotherme
Gasaktivierung), ein Aktivierungsverfahren bei erhöhter Temperatur (endotherme Gasaktivierung) und ein
chemisches Aktivierungsverfahren unter Verwendung eines Oxydationsmittels. Das Aktivierungsverfahren bei
tieferer Temperatur ist dazu bestimmt das Material unter der oxydierenden Gasatir.osphäre in einem
Gebiet tieferer Temperatur, das von Raumtemperatur bis zu 6000C reicht zu oxydieren. Als oxydierendes Gas
kann O2, Cl2, NO2, Luft oder eine Mischung aus diesen
Gasen mit inerten Gasen wie N2, Ar, He, usw. gewählt werden. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit wird
vorzugsweise Luft oder die Mischung von Luft mit N2 verwendet. Die Aktivierungstemperaturen können mit
der Art, den Konzentrationen oder den Durchflußraten des verwendeten oxydierenden Gases variieren, wenn
z. B. unaufbereitete Luft benutzt wird, ist der Bereich
von 300° C bis 4000C am besten geeignet Das Aktivierungsverfahren mit Gas von erhöhter Temperatur
ist dazu bestimmt das Material unter einer oxydierenden Gasatmosphäre bei Temperaturen im
Bereich von 7000C bis 1000°C zu oxydieren. Als
oxydierende Gase können beispielsweise Wasserdampf, CO2 oder eine Mischung aus diesen Gasen mit inerten
Gasen Verwendung finden. Für die oxydierenden Gase
wie Dampf, CO2 oder die Mischung aus diesen Gasen
mit inerten Gasen liegt der bevorzugte Temperaturbereich für die Aktivierung bei 8000C bis 9000C. Das
chemische Aktivieningsverfahren, das ein Oxydationsmittel
benutzt, ist dazu bestimmt, die karbonisierten
porösen Kohlenstoff-Produkte mit Oxydationsmitteln zu behandeln, worauf die Aktivierung durch Erhitzen
folgt Geeigneterweise umfaßt das Oxydationsmittel Salpetersäure, Phosphorsäure, konzentrierte Schwefelsäure,
Bichromatlösung und Permanganatlösung. Die
Wärmebehandlung sollte vorzugsweise bei Temperaturen von 300° C bis 900° C ausgeführt werdea Der durch
die Verfahrensschrittte des Ausformens, Aufheizens und der Aktivierung erhaltene karbonisierte Körper aus
hohlen Kohlenstoff-Mikrokugeln weist die folgenden physikalischen Eigenschaften auf:
Mittlerer Porendurchmesser
Porosität
Gesamtdichte
Oberfläche/Gewicht-Verhältnis
Druckfestigkeit
0,5 bis 20 μ
5-50%
0,2 -0,9 g/cm3
600 bis 2000 m2/g
20-400 kg/cm2
Der letzte Verfahrensschritt besteht im wesentlichen aus dem Niederschlagen des Katalysators und der
Hydropholierung. Für den Fall, daß der aktivierte mikrohohlkugelförmige Kohlenstoff als positive Elektroden
für eine Luftzelle benutzt wird, ist das Niederschlagen eines Katalysators nicht notwendig, und
trotzdem dient er als eine hervorragende Elektrode. In dem Fall, wenn das karbonisierte mikrohohlkugelförmige
Kohlenstoffprodukt als eine Elektrode für die Brennstoffzelle genutzt wird, insbesondere als eine für
eine Wasserstoff-Samerstoffzelle, kann es mit beliebigen
Verfahren durchgeführt werden, jedoch sollten vorzugsweise die Katalysatoren wie Platin, Silber, Osmium
gemäß dem konventionellen Verfahren darauf niedergeschlagen werden. In dem Fall der Verwendung des
Produktes als negative Elektrode für eine Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle sollte vorzugsweise gemäß dem konventionellen
Verfahren Platin als Katalysator darauf niedergeschlagen werden. Jedoch kann aliernativ dazu
das aktivierte mikrchohlkugelförmige Kohlenstoffprodukt
vorzugsweise nach der katalytischen Abscheidung der Hydropholierung unterworfen werden, indem
wasserabstoßende Mittel wie Paraffin, Polyäthylen, Vaselin, Siliconharz und dgL verwendet werden. Das im
Vorstehenden Beschriebene stellt die Verfahrensschritte für die Herstellung der porösen Kohlenstoffelektrode
zur Verwendung in einer Brennstoff- oder Luftzeile dar.
im folgenden Teil der Beschreibung sind zar besseren
Erläuterung der Erfindung Beispiele für das Verfahren und die Verwendung als Elektrode in den wirklichen
Zellen angegeben. Sie sollen die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränken.
Beispiele für das Verfahren zur Herstellung
poröser Kohlenstoffprodukte
poröser Kohlenstoffprodukte
Herstellungsbeispiel 1
Gemäß dem in der obengenannten Patentanmeldung 21 26 262.4 offenbarten Verfahren wurde als Ausgangsmaterial
das Pech auf Erdölbasis in die Form von kleinen Kugeln gebracht, worauf die Behandlung
erfolgte, durch die diese Kugeln eine hohle Struktur erhielten, unschmelzbar gemacht wurden, aufgeheizt
und karbonisiert wurden (bei einer Temperatur von 8500C), wodurch die hohlen Kohlenstoff-Mikrokugeln
gebildet wurden. Die auf diese Weise hergestellten hohlen Kohlenstoffkugeln wurden dann gesiebt, um
diejenigen mit einem Korndurchmesser von 10-16 μπι
und Wanddicken von 2—6 μπι abzutrennen. 100
Gewichtsteile hohler Kohlenstoff-Mikrokugeln wurden dann in einem V-Typ-Mixer mit 25 Gewichtsteilen im
Handel erhältlichem Novolackharz, der einen Härter enthielt, (und zwar einem kommerziell erhältlichen
Novolacktyp-Phenol-Formaldehydharz von Phenolharzen), gemischt und dann in eine Metallform mit den
Abmessungen 150 mm χ 150 mm χ 200 mm gebracht und einem Druck von 5 kg/cm2 unterworfen, worauf zur
Aushärtung 54 Minuten lang eine Erhitzung auf eine Temperatur von 1800C erfolgte. Der ausgeformte
Körper wurde dann in einem Trockner bei einer Temperatur von 1500C 10 Stunden lang getrocknet, um
vollständige Wärmeaushärtung zu bewirken. Das auf diese Weise thermisch gehärtete Material wurde dann
unter einer N2 Gasatmosphäre mit einer Aufheizrate von 50°C/h von 2000C auf 8500C erhitzt, worauf eine
weitere 4stündige Erhitzung bei einer Temperatur von 85° C erfolgte, um die Aufheiz- und Karbonisierungsbehandlung
zu vollenden.
Darauf wurde das auf diese Weise erhaltene poröse Kohlenstoffprodukt maschinell verarbeitet, wobei es in
die Form einer Röhre mit einem inneren Durchmesser von 30 mm und einem äußeren Durchmesser von 50 mm
gebracht wurde. Diese Röhre wurde dann in einem Trockner getrocknet, durch den Luft mit einer
Temperatur von 3500C 75 Stunden lang zirkulierte, um die Aktivierungsbehandlung durchzuführen. Die physikaiischen
Eigenschaften der auf diese Weise erhaltenen aktivierten porösen Kohlenstoffröhren waren die
folgenden:
Mittlerer Durchmesser der Poren
Porosität
Gesamtdichte
Druckfestigkeit
Oberfläche/Gewicht-Verhältnis
4,6 μ
40%
40%
0,65 g/cm3
260 kg/cm2, und
1050 m2/g.
260 kg/cm2, und
1050 m2/g.
Herstellungsbeispäel 2
Das wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellte poröse Kohlenstoffprodukt wurde maschinell bearbeitet und
ergab eine Röhre mit einem inneren Durchmesser von 5 mm und einem äußeren Durchmesser von 25 mm. Die
Röhre wurde dann zum Zwecke der Aktivierung 4 Stunden lang unter einer gemischten Gasatmosphäre
(Wasserdampf: Ar von 75:25 Volumenteile) in einer Quarzgiasröhre auf 8500C erhitzt Die physikalischen
Eigenschaften der aktivierten porösen Kohienstoffröhre waren die folgenden:
Mittlerer Durchmesser der Poren
Porosität
Gesamtdichte
Druckfestigkeit
Oberflächen/Gewicht-Verhältnis
43 μ
41%
0,67 g/cm3
3C5 kg/cm2, und
1100m2/g.
Herstellungsbeispiel 3
100 Gewichtsteile von den in Beispiel 1 verwendeten hohlen Kohlenstoff-Mikrokugeln wurden mit 100
Gewichtsteilen einer 30%igen Karamellösung innig gemischt und in eine Metallform mit den Abmessungen
150 mm χ 150 mm χ 200 mm gegeben, worauf das
Ausformen unter einem Druck von 5 kg/cm2 erfolgte. Der ausgeformte Körper wurde dann mit einer
Aufheizrate von 3°C/h in einem Trockner von 5O0C auf
120°C erhitzt, um dadurch das Wasser völlig aus ihm zu
entfernen. Der Körper wurden dann unter ^-Atmosphäre mit einer Aufheizrate von 25°C/h von 200°C auf
850° C aufgeheizt und 4 Stunden lang bei 850°C gehalten, um den Verfahrensschritt des Aufheizens und
Karbonisierens völlig zu Ende zu führen.
Darauf wurde das auf diese Weise hergestellte poröse Kohlenstoffprodukt maschinell bearbeitet und ergab
eine Röhre mit einem inneren Durchmesser von 5 mm und einem äußeren Durchmesser von 25 mm. Die Röhre
wurde dann in extra reine Salpetersäure (vom Reagenzgrad 1 gemäß dem japanischen Industriestandard
JIS) getaucht und anschließend mit Wasser gewaschen. Die auf diese Weise behandelte Röhre
wurde dann unter einer !^-Atmosphäre mit einer Aufheizrate von 150°C/h von 200° C auf 900° C zum
Zwecke der Aktivierung aufgeheizt Die physikalischen Eigenschaften des auf diese Weise erhaltenen aktivierten
porösen Kohlenstoffs waren wie folgt:
Mittlerer Durchmesser der Poren 5,1 μίτι
Porosität 43%
Porosität 43%
10
20
Gesamtdichte
Druckfestigkeit
Oberfläche/Gewicht-Verhältnis
0,62 g/cm3
230 kg/cm2, und
1000 m2/g.
230 kg/cm2, und
1000 m2/g.
25 Beispiele für die Verwendung des porösen
Kohlenstoffkörpers als Elektrode für eine Zelle
Kohlenstoffkörpers als Elektrode für eine Zelle
Anwendungsbeispiel 1
Die wie in Herstellungsbeispiel 1 beschrieben hergestellte Röhre aus aktiviertem porösen Kohlenstoff
wurde einer Behandlung unterworfen, die sie wasserabstoßend machte, indem Paraffin benutzt wurde, und
dann maschinell bearbeitet, um ihr die Abmessungen: innerer Durchmesser 33 mm und äußerer Durchmesser
45 mm zu geben. Die auf diese Weise hergestellte Kohlenstoffelektrode wurde dann als positive Elektrode
für eine ammoniumchloridhaltige, nasse Luftzelle verwendet, wobei die nasse Luftzelle eine Zelle ist, die
mit einer porösen aktiven Kohlenstoffplatte als positive Elektrode ausgestattet ist, eine Zinkplatte als Lösungselektrode
benützt und eine wäßrige Lösung von Ammoniumchlorid als Elektrolyt besitzt, und Luft als
Depolarisator verwendet. Die Zelle besaß die folgenden Leistungsdaten:
Leistungsdaten
Ampere ImA) Dauer
(h)
(h)
Kapazität
(Ah)
(Ah)
Mittlere
Spannung
Spannung
(V)
AWA-60 (Verwendung der erfln- 100 750 75
dungsgemäßen Elektrode)
Kommerziell erhältliche Zelle 100 650 65
U5
1,00
1,00
Anwendungsbeispiel 2
Die wie in Herstellungsbeispiel 2 beschrieben
hergestellten aktivierten porösen Kohlenstoffröhren wurden maschinell bearbeitet, um die Dimensionen
innerer Durchmesser 10 mm und äußerer Durchmesser 20 mm zu erhalten. Eine derartige Röhre wurde der
Reihe nach der Behandlung mit einer Lösung aus Salpetersäure, mit Hexachlorplatinsäure und einer
Neutralisationsbehandlung unterworfen. Die Röhre wurde schließlich einer Hydrazinbehandlung unterworfen,
um den Platinkatalysator auf den Oberflächen der aktivierten Kohlenstoffröhre niederzuschlagen. Die
Röhre wurde dann einer Paraffinbehandlung unterworfen, um sie wasserabstoßend zu machen. Eine andere
Leistungsdaten
dieser Röhren wurde der Reihe nach in Osmiumtetrachloridlösung
und in Natrium-Borhydridlösung eingetaucht, um einen Osmium-Katalysator auf den Oberflächen
der aktivierten porösen Kohlenstoffröhre niederzuschlagen. Die Röhre wurde ebenfalls einer Paraffinbehandlung
unterworfen, um sie wasserabstoßend zu machen.
Die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle wurde hergestellt, indem 55°/oige KOH-Lösung als Elektrolyt zusammen
mit einer Röhre, auf der Platin als Katalysator niedergeschlagen worden war, als negative Elektrode
und einer Röhre, auf der Osmium als Katalysator niedergeschlagen war, als positive Elektrode verwendet
wurde. Die Leistungsdaten der Zelle waren wie folgt:
Zelle
Temperatur Druck des
Brennstoff-
gases Spannung
a. d.
Klemmen
a. d.
Klemmen
Stromdichte
Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle 60 C 1 atm
(Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden)
Vergleichs-Zelle*) 60'C 1 atm
Vergleichs-Zelle*) 60'C 1 atm
0,95-1,05 V 10-30 mA/cm2
5,4 mA/cm2
0,90 V
*) Typische WasserstofT-SauerstofT-Zelle, die mit porösen Kohlenstoffelektroden ausgestattet ist
und bei niederer Temperatur und unter niederem Druck benutzt werden kann. (Vgl. "A review
of the state of the art and future trend in Fuel Cell system", technical report No. 10, Western
Reserve University, Dec. 1, 1958.)
Anwendungsbeispiel 3
Auf den wie im Herstellungsbeispiel 1 hergestellten aktivierten porösen Kohienstoffröhren wurde entweder
Platin oder Osmium niedergeschlagen in derselben Weise, wie es in Anwendungsbeispiel 2 beschrieben ist.
Die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle wurde hergestellt, indem die erstere als negative und die letztere als
positive Elektrode verwendet wurde. Die Leistungsda-
10
ten der auf diese Weise hergestellten Zelle sind wie folgt:
Leistungsdaten
Temperatur
Brennstofigasdruck
Spannung a. d. Elektroden
Stromdichte
600C 1 atm
0,91-1,01 V 5-25mA/cm2
Claims (1)
- Patentanspruch:Verwendung eines porösen Kohlenstoffkörpers aus einer ausgeformten und in nicht oxidierender Atmosphäre karbonisierten Masse aus hohlen Kohlenstoff-Mikrokugeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 bis 100 um und Wanddicken von 0,5 bis 25 um und einem Bindemittelgehalt entsprechend einem Mischungsverhältnis der hohlen ι ο Kohlenstoffmikrokugeln zu dem Bindemittel in dem Bereich von 100:5 bis 100 :60 Gewichtsteilen, der einen mittleren Porendurchmesser von 0,5 bis 20 μπι, eine Porosität von 5 bis 50%, eine Dichte von 0,2 bis 0,9 g/cm3, ein Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht von 600 bis 2000 m2/g und eine Druckfestigkeit von 20 bis 400 kg/cm2 aufweist, in eineim Metall-Luft-Element in durch Oxidation aktivierter Form oder in einem Brennstoffelement in durch Oxidation aktivierter und mit einem Katalysator versehener und gegebenenfalls hydrophobierter Form.
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