NL8006774A

NL8006774A - Brandstofcelelectrode en werkwijze voor het vervaardigen van een brandstofcelelectrode.

Info

Publication number: NL8006774A
Application number: NL8006774A
Authority: NL
Original assignee: Electrochem Energieconversie
Priority date: 1980-12-13
Filing date: 1980-12-13
Publication date: 1982-07-01
Also published as: DE3172061D1; ES507886A0; CA1177884A; JPH026190B2; EP0054984A1; ATE15299T1; JPS57141871A; EP0054984B1; US4447505A; ES8301393A1

Description

··> f ELEKTROCHEMISCHE ENERGIECONVERSIE N.V. te Mol, België Uitvinder: Alain P.O. BLANCHART te Balen (België) 1 3252

BRANDSTOFCELELECTRODE EN WERKWIJZE VOOR HET VERVAARDIGEN VAN EEN BRANDSTOFCELELECTRODE

De uitvinding heeft betrekking op een brandstofcelelectrode voorzien van een katalytische laag welke laag een edelmetaal op kool met een relatief laag specifiek oppervlak en een kool met een relatief hoog specifiek oppervlak bevat, in het bijzonder een gasdiffusie-5 electrode.

Een dergelijke electrode is bekend uit het Britse octrooi-schrift 1.007.490. Volgens dit octrooischrift bevat een brandstofcel-electrode een katalytische laag bestaande uit een hydrofoob bindmiddel en 5f edelmetaal op alleen grafiet 5f edelmetaal op een combinatie van 10 grafiet en actieve kool. De katalytische laag welke edelmetaal op een combinatie van grafiet en actieve kool bevat wordt vervaardigd door een innig mengsel van de grafiet en de actieve kool te voorzien van een gewenste hoeveelheid edelmetaal, bijvoorbeeld 2% zilver. Bij een dergelijke procedure verdeelt het edelmetaal zich gelijkelijk over het 15 totale oppervlak van de beide koolsoorten en zal de actieve kool na deze behandeling (relatief hoog specifiek oppervlak) een veel groter gewichtspercentage edelmetaal bevatten dan de grafiet (relatief laag specifiek oppervlak).

Electrodes volgens dit Britse octrooischrift vertonen grote 20 nadelen. Een brandstofcel welke een dergelijke electrode bevat levert een zeer zwakke celprestatie en/of vertoont grote instabiliteit.

Het doel van de uitvinding is een brandstofcelelectrode welke het vermogen om een goede celprestatie te leveren combineert met een goede stabiliteit, d.w.z. het vermogen tot het leveren van een hoge 25 initiële celprestatie welke met de tijd slechts zeer langzaam vermindert. Een dergelijke electrode volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de katalytische -laag edelmetaal op kool met een specifiek oppervlak beneden 100 m^ g~^, bij voorkeur beneden 50 nr g L, bevat en kool met een specifiek oppervlak boven 150 nr g , 8006774 2 bijvoorkeur tussen 200 en 1200 m^ g”l waarop zich ten hoogste een even groot gew.-% edelmetaal als op de kool met een relatief laag specifiek oppervlak bevindt, en bij voorkeur minder of geen edelmetaal. Deze laatste voorkeur wordt gesteund door economische motieven, daar de 5 aanwezigheid van edelmetaal op de kool met een relatief hoog specifiek oppervlak slechts een geringe invloed heeft op de prestatie van de electrode volgens de uitvinding en er zo edelmetaal bespaard kan worden.

Een geschikte manier om de kool voor een electrode volgens de 10 uitvinding te voorzien van edelmetaal is het doen neerslaan uit een oplossing van een of meerdere zouten van het gewenste edelmetaal op deze kool en vervolgens deze zouten met waterstof te reduceren tot zuiver metaal. Hierbij dient de kool met een relatief laag specifiek oppervlak afzonderlijk van het edelmetaal te worden voorzien om het 15 mogelijk te maken een minstens even groot gewichtspercentage aan edelmetaal op deze kool te halen als op rest van de in de electrode toegepaste kool.

Zeer geschikte koolsoorten met een specifiek oppervlak beneden 100 m^ g-^· voor electrodes volgens de uitvinding zijn grafiet,

A

20 gegrafitiseerde kool, laag oppervlakkig ’carbon black’ en in het bijzonder geëtst grafiet. Dit laatste kan op een geschikte wijze bereid worden door grafiet voordat men hierop edelmetaal aanbrengt in contact te brengen met stoffen als een peroxide, fluor of chloor.

Een edelmetaal voor electrodes volgens de uitvinding kan bij-25 voorbeeld zijn ruthenium, palladium, zilver of platina. Een zeer geschikt edelmetaal voor electrodes volgens de uitvinding is platina dat bij voorkeur in hoeveelheden tussen 1 en 10 gew.-% berekend t.o.v. de kool met een relatief laag specifiek oppervlak op deze kool voorkomt.

30 Geschikte koolsoorten met een specifiek oppervlak boven 150 m^ g“^ voor electrodes volgens de uitvinding zijn hoog oppervlakig ’carbon black’ en actieve kool, vooral kool die thermisch behandeld is.

De gewichtsverhouding tussen de kool met een relatief laag 35 specifiek oppervlak en de kool met een relatief hoog specifiek oppervlak in een electrode volgens de uitvinding varieert bij voorkeur tussen 10 : 1 en 1 : 10.

8006774 «r —* 3

Een brandstofcelelectrode volgens de uitvinding bestaat bij voorkeur uit een vlakke electrode met een katalytische laag welke bestaat uit edelmetaal op kool met een specifiek oppervlak van minder dan 100 m^/g, kool met een specifiek oppervlak van meer dan 150 m^/g 5 en per 100 gew.-delen kool 3-30 gew.-delen van een bindmiddel zoals polytetrafluoretheen (PTFE), polytrifluorchlooretheen (PTFCE), polyolefinen bijv. polypropeen, lage druk polyetheen of polyisobuteen, of epoxyharsen, PTFE geniet de voorkeur.

De brandstofcelelectrodes volgens de uitvinding zijn met name 10 geschikt als kathodes, in het bijzonder als lucht- of zuurstof-kathodes.

• De uitvinding omvat tevens een werkwijze voor het vervaar

digen van een brandstofcelelektrode welke wordt gekenmerkt doordat men hierbij kool met een specifiek oppervlak beneden 100 m^ g^lj bij 15 voorkeur beneden 50 m^ g“^, welke kool is voorzien van 1-10 gew.-Z

edelmetaal, bij voorkeur Pt, innig gemengd met kool met een specifiek oppervlak boven 150 m^ g“l, bij voorkeur tussen 200 en 1200 rcP" g“*, in het bijzonder tussen 250 en 500 m^ g~^·, welke kool is voorzien van 0-10 gew.-Z edelmetaal, bij voorkeur Pt, en met een bindmiddel, bij * 20 voorkeur 3-30 gew.-delen PTFE per 100 gew.-delen kool, vormt tot een katalytische laag van de gewenste afmetingen.

De uitvinding wordt verder toegelicht aan de hand van de volgende proeven. Bij deze proeven zijn de electrodeprestaties gemeten in een H2/KOH (concentratie 6 mol per liter)/lucht cel met een actief 25 oppervlak van 289 cm^ bij een electrolyttemperatuur van 338 K en een constante spanning van 0,69 V met telkens dezelfde waterstofanoden, waarbij de luchtkathode telkens vervangen wordt door de onder beschrevenen.

Hierbij werden de volgende koolsoorten toegepast: 30 1. Grafiet met een specifiek oppervlak van 12 m^ g“l voorzien van 5 gew.-% Pt.

2. Actieve kool, waarvan het specifieke oppervlak d.m.v. een thermische behandeling is teruggebracht van 850 tot 300 m^ g"l zonder Pt.

35 3. Actieve kool met een specifiek oppervlak van 850 m^ g“l zonder Pt.

4. Actieve kool met een specifiek oppervlak van 850 m^ voorzien van 5 gew.-% Pt.

8006774 4 5. 'Carbon black' met een specifiek oppervlak van 200 g”l voorzien van 5 gew.-% Pt.

6. 'Carbon black' met een specifiek oppervlak van 1100 m^ voorzien van 5 gew.-% Pt.

5 De resultaten van deze proefnemingen zijn weergegeven in de navolgende tabel.

8006774 5

Proef nr. toegepaste samenstelling stroomdicht- tijdsverloop koolsoorten actieve laag heid in mA. sinds het be- in gew.-% cm~2 gin van <je proef in uren 1 1 + 2 1 : 60 102 0 2 : 25 100 1000 PTFE : 15 97 2500 94 5000 2 1+3 1 : 60 96 0 3 : 25 89 1000 PTFE ; 15 85 2500 85 5000 3 1 + 4 1 : 42 128 0 4 : 42 119 1000 PTFE : 16 115 2500 115 5000 4 1 + 6 1 : 65 85 0 6 : 20 82 1000 PTFE : 15 ' 80 2500 80 5000 5 1 1 : 85 95 0 PTFE : 15 90 1000 85 2500 80 5000 6 4 4 : 85 125 0 PTFE : 15 91 1000 62 2500 22 5000 7 5 5 : 85 115 0 PTFE : 15 90 1000 81 2500 47 5000 8006774 6

Bij deze proeven zijn proeven 1, 2, 3 en 4 volgens de uitvinding, proeven 5, 6 en 7 zijn vergelijkend.

De electrodes volgens proeven 6 en 7 zijn blijkens bovenstaande proeven bijzonder instabiel. Bij verdere metingen aan een 5 electrode volgens proef 5 bleek dat bij een geringe verhoging van de stroomafname een zeer sterke daling van de spanning optreedt. Electro-* des volgens proef 5 zijn dus ook ongeschikt voor toepassing in de praktijk, waar deze hoge stroomafname nodig is. Bij de electrodes volgens de proeven 1, 2, 3 en 4 begon dit grensstroomverschijnsel pas 10 bij veel hogere stroomsterkten op te treden zodat deze electrodes wel goed in de practijk toepasbaar zijn.

8 0 0 6 77 4

Claims

1. Brandstofcelelectrode voorzien van een katalytische laag welke laag een edelmetaal op kool met een relatief laag specifiek oppervlak en een kool met een relatief hoog specifiek oppervlak bevat, met het kenmerk, dat de katalytische laag edelmetaal op 5 kool met een specifiek oppervlak beneden 100 m2 g"* bevat en kool met een specifiek oppervlak boven 150 m2 g”1 waarop zich ten hoogste een even groot gewichtspercentage edelmetaal als op de kool met een relatief laag specifiek oppervlak bevindt.

2. Brandstofcelelectrode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 10 kool met een relatief laag specifiek oppervlak een specifiek oppervlak beneden 50 m2 g“l heeft.

3. Brandstofcelelectrode volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de kool met een relatief hoog specifiek oppervlak een specifiek oppervlak tussen 200 en 1200 m2 g-*- heeft.

4. Brandstofcelelectrode volgens één der conclusies 1- 3, met het kenmerk, dat de kool met een relatief hoog specifiek oppervlak thermisch behandeld is.

5. Brandstofcelelectrode volgens één der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat als kool met een relatief laag specifiek oppervlak 20 grafiet wordt toegepast.

6. Brandstofcelelectrode volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat deze grafiet geëtst is.

7. Brandstofcelelectrode volgens één der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat als kool met een relatief hoog specifiek oppervlak 25 actieve kool wordt toegepast.

8. Brandstofcelelectrode volgens één der conclusies 1-7, met het kenmerk, dat als edelmetaal Pt wordt toegepast.

9. Brandstofcelelectrode volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat zich op de kool met een relatief laag specifiek oppervlak 30 1-10 gew.-% Pt, berekend t.o.v. deze kool, bevindt.

10. Werkwijze voor het vervaardigen van een brandstofcelelectrode, met het kenmerk, dat men hierbij kool met een specifiek oppervlak beneden 100 m2 g”^-, welke kool voorzien is van 1-10 gew.-% edelmetaal, innig gemengd met kool met een specifiek oppervlak boven 35 150 m2 g”^· welke kool voorzien is van 0-10 gew.-% edelmetaal en 800 6 77 4 4 t δ met een bindmiddel vormt tot een katalytische laag van de gewenste afmetingen.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat men hierbij kool met een specifiek oppervlak beneden 50 m^ g"l, welke kool 5 voorzien is van 1-10 gew.-% Pt, innig gemengd met kool met een specifiek oppervlak tussen 200 en 1200 m^ g”l} welke kool voorzien is van 0-10 gew.-% Pt, en met 3-30 gew.-delen ΡΤΙΈ per 100 gew.-delen kool vormt tot een katalytische laag van de gewenste afmetingen.

12. Brandstofcelelectrode als in hoofdzaak in het voorafgaande beschreven en aan de hand van proeven toegelicht.

13. Brandstofcel waarin één of meerdere electrodes volgens een of meerdere der conclusies 1-12 zijn opgenomen.

14. Brand stof cel batte rij opgebouwd uit brandstofcellen volgens conclu- 15 sie 13. A LvG/ 800 6 77 4