DE4142712A1 - Verfahren zur herstellung von formkoerpern, die sowohl elektronen- als auch ionenleitend sind und die darueberhinaus katalytische eigenschaften aufweisen - Google Patents

Description

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

Von Elektroden, z. B. im Brennstoffzelleneinsatz mit ionenleitendem Feststoffelektrolyt, werden neben einer guten Elektronenleitfähigkeit eine gute Ionenleitfähigkeit und gute katalytische Eigenschaften, wie sie z. B. durch eine Platinbeschichtung erreicht werden, gefordert. Daneben hat die freie Oberfläche, die eine Elektrode aufweist, entscheidenden Einfluß auf das Leistungsgewicht einer Brennstoffzelleneinheit bzw. einer Elektrolyseeinheit. Durch die Verwendung von feinkörnigem Pulver mit Partikelgrößen kleiner 1 Mikrometer lassen sich freie Oberflächen (BET-Oberflächen) bis zu 750 m² pro Gramm Elektrodenmaterial erzielen.

Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, bestehend aus ionenleitenden Polymerpulvern und elektronenleitenden Metallpulvern, beide nur teilweise mit einer dünnen Platinschicht überzogen, durch Fressen der Pulvermischungen unter Edelgasatmosphäre oder im Vakuum bei Temperaturen zwischen 100 und 500°C zu entwickeln, bei dem der Formkörper möglichst porös bleibt. Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die Pulver vor dem Mischen einer Ionenimplantation - insbesondere die Polymerpulver - und einer primären Ionenstrahlbeschichtung mit katalytisch aktiven Substanzen wie z. B. Platin ausgesetzt werden.

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 Polymerpulverkörnchen anstrebt.

Die Polymerpulver werden vor dem Mischen mit den anderen Pulvern durch Bestrahlung 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 beidem 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 Durchschnitt 0,1 bis 5 Mikrometer betragen, um eine gleichmäßige Beaufschlagung der Elektrode mit Gas oder Flüssigkeit zu gewährleisten.

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

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern insbesondere für Elektroden zur Verwendung in Brennstoffzellen und auch in Elektrolysezellen, bestehend aus Mischungen aus Metallpulvern, Keramikpulvern und Polymerpulvern durch Pressen entsprechender Pulvermischungen und Sintern, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischungen durch Ionenstrahlbehandlung ionenleitend bzw. elektronenleitend gemacht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver mittels der Ionenstrahlen mit katalytisch wirksamen Materialien wie Platin, Paladium, Nickel, Silber und/oder Perowskiten beschichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, 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 Elementen und deren Verbindungen gemischt werden.