DE2000896A1 - Porous structure - Google Patents
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Description
Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann 2000896Dr. F. Zumstein Sr. - Dr. E. Assmann 2000 896
Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein jun.Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein jun.
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THE DUKIiOP COMPANY LIMIi1ED, London S.W. 1THE DUKIiOP COMPANY LIMIi 1 ED, London SW 1
Poröse GeI)IIcIe.Porous GelI) IIcIe.
Die vorliegende Erfindung "betrifft poröae Gebilde.The present invention "relates to porous structures.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Brennstoffelement-lilelctrode'eine poröse Metallstruktur in Porni eine3 dreidimensionalen Netzwerkes, das so angeordnet ist, daß es eine Vielzahl welliger Räume umgrenzt, die miteinander in Verbindung stehen.In accordance with the present invention, a fuel element electrode comprises one porous metal structure in Porni a3 three-dimensional network, which is arranged so that it delimits a multitude of undulating spaces that are connected to each other.
Das poröse Metall kann hergestellt werden, indem man das Metall durch. Aufsprühen, Tauchen oder durch elektrische Abscheidung auf ein poröses Material aufbringt. Das poröse Material kann in Form eines Faseragglomerates vorliegen, wie als Filzmaterial oder als schwamoartiges oder Schaummaterial, wie natürlicher Schwamm oder synthetischer Ilarzschaum. Polyurethanschaume werden im allgemeinen bevorzugt. Das poröse Material kann im Metall verbleiben oder es kann z.B. durch Erhitzen bis zur Schmelze oder durch Veraschen dea Materiales entfernt werden.The porous metal can be made by passing the metal through. Spray on, dip or by electrodeposition applies to a porous material. The porous material can be in the form of a fiber agglomerate, such as felt material or as sponge-like or foam material, like natural sponge or synthetic Ilarz foam. Polyurethane foams are generally preferred. The porous material can remain in the metal or it can, for example, by heating until it melts or by ashing dea material must be removed.
Wird ein hoher Porösitätsgrad benötigt, so kann der Schaum ein reiikulierter Schaum sein, das ist ein Schaum, in welchemIf a high degree of porosity is required, the foam can be a circulated foam, that is a foam in which
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die organische Phase ein dreidimensionales 'Netzwerk darotoLlfc, das praktisch keine V/andteile besitzt, welche die Zellen ui:.-grenzen. Derartige retikulierte Schäume können hergestellt werden, indem man die relativ dünnen Zellwände aus einem Schaum, z.B. mit chemischen Mitteln, wie wäßrigen Natriuruhydroxyd im Falle der Polyurethanschäume, entfernt.the organic phase is a three-dimensional 'network darotoLlfc that virtually no V / andteile owns which the cells ui: limits .-. Such reticulated foams can be produced by removing the relatively thin cell walls from a foam, for example with chemical agents such as aqueous sodium hydroxide in the case of polyurethane foams.
Die poröse Metallstruktur kann auch in wenigstens einer Kiortung der Struktur eine verschiedene Porosität besitzen, wobei ^ die Porosität der Struktur sich kontinuierlich durch wenigebons · einen Teil des Körpers hindurch in dieser Richtung lindert. .Dies kann durch eine elektrische Abscheidungstechnik erreicht werden, wobei die Anode auf einer Seite des Körpers aus porösem Material angeordnet ist. Dies führt zu einer Bildung von elektrisch abgeschiedenem Metall, die auf der Anodenseite des porösen Materials stärker ist und auf der von der Anode abgeioganen Seite geringer ist.The porous metal structure can also be in at least one Kiortung the structure have a different porosity, where ^ The porosity of the structure is continuously reduced by low levels · Soothes part of the body in this direction. .This can be achieved by an electrical deposition technique with the anode on one side of the body made of porous Material is arranged. This leads to the formation of electrical deposited metal, which is stronger on the anode side of the porous material and on that side of the anode Side is lower.
Soll das Metall elektrisch abgeschieden werden, so ist es natürlich nötig, entweder ein poröses Material zu nehmen, das elektrisch leitend ist oder das Material mit Hilfe einer leitenden Oberflächenschicht leitfähig zu machen. Nichtleitende ) Materialien können mit Hilfe eines Additives, wie Graphit oder gepulvertem Metall, selbstleitend gemacht werden. Eine leitende Oberflächenschicht kann aufgebracht werden, indem man das Material mit einem härtbaren, harzartigen Material überzieht, welchem man ein leitfähiges Additiv einverleibt, oder indem man ein Metall chemisch darauf abscheidet, z.B. durch Reduktion von ammoniakalischem Silbernitrat in situ. Im allgemeinen sollte bei der Anwendung einer chemischen Abscheidung die Oberfläche mit einem oder mehreren Sensibilisierungsniitteln, wie Zinn-II-Chlorid und anschließend für Silber mit Palladiumchlorid behandelt werden.If the metal is to be deposited electrically, it is of course necessary either to use a porous material that is electrically conductive or to make the material conductive with the aid of a conductive surface layer. Non-conductive ) materials can be made self-conductive with the help of an additive such as graphite or powdered metal. A conductive surface layer can be applied by coating the material with a curable, resinous material to which a conductive additive is incorporated, or by chemically depositing a metal thereon, for example by reducing ammoniacal silver nitrate in situ. In general, if chemical deposition is used, the surface should be treated with one or more sensitizers, such as stannous chloride, followed by palladium chloride for silver.
Zu den Metallen, die elektrisch abgeschieden werden könner, gehören Silber, Kupfer, Nickel und Eisen. Legierungsschäume kön-Metals that can be electrodeposited include Silver, copper, nickel and iron. Alloy foams can
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nen in einigen Fällen durch direkte Plattierung erzeugt wer-οοη, un-1 in anderen Pällen können zwei oder mehrere Iletalle nacheinander abgeschieden v?erden und die Legierung durch Erhitzen der erhaltenen struktur gebildet werden. Die daraus resultierenden Lcgierungsschäurae können natürlich hitzebehandelt werden, um ihnen die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu verleihen, J3 ta hl nc bäume können durch die Einarbeitung der erforderlichen Kohlenstoff- und/oder Stickstoffmengen erzeugt werdon. Der Kohlenstoff kann aus organischem Material stammen, welchen den zugrundeliegenden Schaum bildet, oder er kann zu einen Elektroplattierungsbad hinzugefügt werden.In some cases produced by direct plating, in other cases, two or more ileal alloys can be deposited one after the other and the alloy can be formed by heating the structure obtained. The resulting alloy sheaves can of course be heat treated to give them the desired physical properties; J3 ta hl nc trees can be created by incorporating the required amounts of carbon and / or nitrogen. The carbon can come from organic material which forms the underlying foam, or it can be added to an electroplating bath.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung "besitzt die durch Elektroplattierung erzeugte zellige Hetallstruktur eine gr'Jj'crc Porosität als diejenige, die in der fertigen Elektrode benötigt wird, und die Porosität wird durch'nachfolgendes mechanisches i.'u;;ammenpre3SGn der zelligen Struktur vermindert. Das iriCchaniEche Casanmenpressen kann durch Pressen oder Walzen bewirkt werden, vorzugsweise wird aber in mehreren Stufen gewalzt, so da.?- die Kompression bei dem jeweiligen Durchgang relativ gering ist. Wenn die poröse Struktur eine unterschiedliche Porosität besitzt, so findet im allgemeinen die Kompression in der Pichtunj statt, in der die Porosität der Struktur sich ändert, obgleich es natürlich möglich ist, in einer anderen Richtung zu Pressen, z.B. im rechten, "winkel zur Richtung, in der sich die Porosität ändert.In a preferred embodiment of the invention "has a cellular metal structure produced by electroplating gr'Jj'crc porosity than that in the finished electrode is required, and the porosity is determined by'following mechanical i.'u ;; ammenpre3SGn the cellular structure decreased. The iriCchaniEche Casanmen pressing can be done by pressing or rolling be effected, but rolling is preferably carried out in several stages, so that? - the compression in the respective passage is relatively low. When the porous structure has a different Has porosity, the compression generally takes place in the position in which the porosity of the structure is changes, although it is of course possible to press in a different direction, e.g. at the right "angle to the direction" in which changes the porosity.
Andere "aterialien, die für die erfindungsgemäßen Elektroden verwendet werden können, sind diejenigen, die nach dem in derOther materials that may be used in the electrodes of the present invention are those that can be used after in the
deutschen Patentschrift (deutsche PatentanmeldungGerman patent specification (German patent application
P 19 M5 "?f. Z· ) beschriebenen Verfahren hergestellt werden.P 19 M5 "? F. Z · ) described method.
Die erfinduivrsgemäßen Elektroden sind besonders vorteilhaft bei der Verwendung in Brennstoffzellen, da sie eine einheitliche Struktur besitzen. Weiterhin sind die Elektroden mit unterschiedlicher Porosität insofern von Vorteil, als sie als eineThe electrodes according to the invention are particularly advantageous in of use in fuel cells as they are a uniform Possess structure. Furthermore, the electrodes with different porosity are advantageous in that they can be used as one
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Einheitsstruktur ausgebildet sind und es dabei nicht nötig ißt, Platten unterschiedlicher Porosität miteinander zu kombinieren, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.Are formed in a unitary structure and do not need to eat Combine plates of different porosity with each other to achieve the desired result.
Die oben beschriebene poröse Metallstruktur kann gewünschtenfallo, wenigstens teilweise, mit einer wasserabweisenden Schicht überzogen v/erden. Die oben beschriebenen Zellstrukturen bilden einen Träger für die Katalysatoren, die gewöhnlich in Brennstoffzellen verwendet werden.The porous metal structure described above may be desired at least partially covered with a water-repellent layer. The cell structures described above form one Carriers for the catalysts commonly used in fuel cells.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie jedoch einzuschränken.The following examples explain the invention, but without it to restrict.
Ein Einzelelement besitzt positive und negative Elektroden, die durch den praktisch möglichen Mindestraum getrennt sind, so daß der freie Fluß des Elektrolyten gestattet wird.A single element has positive and negative electrodes, which are separated by the practically possible minimum space, so that the free flow of the electrolyte is allowed.
Die Elektroden werden von einem dünnen Diaphragma von etwa 1 mm Dicke gebildet, das aus porösem Nickel gemacht ist, das durch Elektroplattierung eines reticulierten Polyurethanschaumes und anschließendes Zusammenpressen bis zur Erzielung der gewünschten \ Porosität hergestellt wurde. Das Diaphragma ist auf einer ringförmigen Metallplatte befestigt, die als elektrischer Kontakt dient. Damit die Elektroden nicht miteinander in Berührung kommen und dadurch ein Kurzschluß entsteht, wird eine offenmaschige Kunststoffolie, die auch den Elektrolyten hält, zwischen die Elektroden gesetzt.The electrodes are formed by a thin diaphragm of about 1 mm thickness, which is made of porous nickel which a reticulierten polyurethane foam and then pressing was made to achieve the desired \ porosity by electroplating. The diaphragm is attached to an annular metal plate that serves as an electrical contact. To prevent the electrodes from coming into contact with each other and thus creating a short circuit, an open-meshed plastic film, which also holds the electrolyte, is placed between the electrodes.
Die Elektroden mit der offenmaschigen Kunststoffolie zwischen ihnen in Sandwich-Anordnung werden unter Bildung eines Einzelelementes zusammen festgeklammert, wobei die Kontakte durch Isolierfolien, die auch als Abstandshalter dienen, voneinander getrennt gehalten werden.The electrodes with the open-mesh plastic film between them in a sandwich arrangement are clamped together to form a single element, the contacts through insulating foils, which also serve as spacers, are kept separate from one another.
Zuführungen für die Zufuhr der Brennstoffe (die gewöhnlich GaseInlets for the supply of fuels (which are usually gases
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sind) werden auf der Seite der Elektroden, die von dem Elektrolyten abgewandt sind,angebracht, so daß das Gas durch die Elektrode geht und an der Oberfläche der Elektrode auf den Elektrolyten trifft. Es werden auch eine Zuleitung und eine Ableitung angebracht, damit der Elektrolyt, der auch als Kühlmittel dient, kontinuierlich durch das Element zwischen den beiden Elektroden geleitet werden kann.are) will be on the side of the electrodes by the electrolyte are facing away, attached so that the gas through the electrode goes and meets the electrolyte on the surface of the electrode. A supply line and a discharge line are also attached, so that the electrolyte, which also serves as a coolant, flows continuously through the element between the two electrodes can be directed.
Es ist üblich, mehrere derartiger Elemente zusammenzuklammern, um ein Brennstoffelement zu bilden, welches eine vernünftige Ausgangsspannung liefert.It is common practice to clip a plurality of such elements together to form a fuel element which has a reasonable output voltage supplies.
Das oben beschriebene Brennstoffelement kann durch Verwendung eines Diaphragmas aus porösem Metall, das eine unterschiedliche Porosität besitzt, verbessert werden. Es ist so angeordnet, daß die Porosität auf der Gasseite der Elektrode (das ist die Seite, auf der der Brennstoff eingeleitet wird) größer ist als auf der Seite des Elektrolyten. Poröse Metalle dieses Typs können gemäß den Beispielen II und III hergestellt werden. "'-The fuel element described above can by using a diaphragm made of porous metal, which has a different Porosity can be improved. It is arranged so that the porosity on the gas side of the electrode (that is the side on which the fuel is introduced) is larger than on the side of the electrolyte. Porous metals of this type can according to Examples II and III. "'-
CT/2 inch)
Ein 1,27 cm/^icker Block aus retikuliertem Polyurethanschaum
mit einer Porosität von 39,5 Poren/cm (100 Poren/Inch) wurde mit
ammoniakalischem Silbernitrat sensibilisiert und erhielt eine dünne Kupferplattierung. CT / 2 inch)
A 1.27 cm thick block of reticulated polyurethane foam having a porosity of 39.5 pores / cm (100 pores / inch) was sensitized with ammoniacal silver nitrate and given a thin copper plating.
Der verkupferte Schaum wurde in ein ITickelsulfamat-Plattierungsbad gelegt, in einem Abstand von 21,6 cm von der einzigen Anode. Die Plattierung wurde 101 Stunden lang bei 3 Ampere durchgeführt.The coppered foam was placed in an ITickelsulfamate plating bath placed at a distance of 21.6 cm from the single anode. Plating was carried out at 3 amps for 101 hours.
Die Probe wurde aus dem Plattierungsbad entfernt, gewaschen, getrocknet und in einem Heißluftstrom 15 Minuten lang auf 80O0C erhitzt, um das Polyurethansubstrat zu veraschen. Eine Probe wurde anschließend rasch in Luft abgekühlt und dann in einem stickstoff/Wasserstoff-Gemisch (80/20) 1 Std, lang auf 1050°0The sample was removed from the plating bath, washed, dried and heated in a stream of hot air to 80O 0 C for 15 minutes to incinerate the polyurethane substrate. A sample was then rapidly cooled in air and then in a nitrogen / hydrogen mixture (80/20) for 1 hour at 1050 ° 0
009-848/1537009-848 / 1537
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erhitzt. Die Probe wurde mikroskopisch untersucht und ein Querschnitt den Materiales zeigte eine allmähliche Zunahme der 1 lattierungsdicke von der Seite des Hateriales, die der Anode gegenüberliegt, zur Seite hin, die von der Anode abgewandt ist.heated. The sample was examined microscopically and a cross section of the material showed a gradual increase in the lattierungsdicke 1 from the side of Hateriales, which is opposite to the anode, to the side that faces away from the anode.
Die Probe wurde durch V/alzen in einer Metallwalze so zusammengepreßt, daß die Dicke ungefähr 1 ram bei jedem Y.'al:;schritt vorrin gert wurde und die endgültige Dicke 0,5 mm und die Kompression 96$ betrugen.The sample was pressed together by rolling in a metal roller so that that the thickness is about 1 ram with every Y.'al:; step forward and the final thickness was 0.5 mm and the compression was $ 96.
Eine mikroskopische Untersuchung der gewalzten Irobe zeigte, daß die schwächer plattierten Zonen der Probe stärker kollabiert v;aren als die stärker plattierten Zonen, so daß die beiden einander gegenüberliegenden Seiten verschiedene Porosität besaßen.Microscopic examination of the rolled irbe showed that the more weakly plated areas of the specimen collapse more strongly than the more heavily plated areas, so that the two are mutually exclusive opposite sides had different porosities.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Art und V/eise, in der der Plattierungsgrad mit der Entfernung von einer iiin^lanode schwankt.This example illustrates the manner in which the degree of plating increases with distance from an anode fluctuates.
Eine 5 cm dicke Platte aus retikuliertem Polyurethanschaum mit einer Porosität von 3,14 Poren/cm (8/inch) wurde auf die in Beispiel I beschriebene Weise in einem Nickelsulfatnatbad plattiert, wobei man einen Strom von 1/2 Ampere 96 Std. lang einwirken ließ. Die Platte wurde in einem Abstand von 12,7 cm von einer Nickelanode angebracht.A 5 cm thick sheet of reticulated polyurethane foam with a porosity of 3.14 pores / cm (8 / inch) was placed on the in Example I plated in a nickel sulfate bath, applying a current of 1/2 ampere for 96 hours let. The plate was placed 12.7 cm from a nickel anode.
Nach der Plattierung wurde die Probe in 4 cm dicke Stücke geschnitten, wobei die Stücke parallel zur Frontseite lagen. Jedes Stück wurde gewogen und gemessen, und die Dichte eines jeden Stückes korrelierte mit der Lage seines Hittelpunktes, bezogen auf die Frontseite. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:After plating, the sample was cut into 4 cm thick pieces, with the pieces parallel to the front. Each piece was weighed and measured, and the density of each Piece correlated with the location of its central point, related on the front. The results are given in the table below:
009846/1537009846/1537
2Ü0U8962Ü0U896
von der Frontseite Dichtefrom the front density
cm g/cnrcm g / cnr
0,20 0,4160.20 0.416
0,71 0,1940.71 0.194
1,22 0,1461.22 0.146
1,67 0,1121.67 0.112
2,12 0,0982.12 0.098
2,57 » 0,0852.57 »0.085
3,05 0,0733.05 0.073
3,42 · ■ 0,0663.42 · ■ 0.066
Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung die Herstellung einer Vielzahl von Strukturen mit unterschiedlicher Porosität ermöglicht. Ter Porös itätsgrad kann leicht gesteuert werden, indem man Taraneter, wie die Plattierungszeit, und den Abstand der Probe vor. der Anode variiert. Gevmns cht enf alls kann mehr als eine Anc3e verwendet werden, obgleich der Abstand dann so bemessen sein sollte, daß eine unterschiedliche Plattierung ersielt wird.It will be appreciated that the present invention is the manufacture of a Allows for a multitude of structures with different porosities. The degree of porosity can easily be controlled by one taraneter, like the plating time, and the spacing of the Sample before. the anode varies. In some cases it can do more than an anc3e can be used, although the spacing is then so dimensioned should be that a different plating is obtained.
Eine weitere Modifizierung, die an der zugrundeliegenden Elektrode vorgenommen werden kann, besteht darin, daß man die Elektrode wenigstens teilweise mit einem wasserabweisenden Mittel, wie in Beispiel IV beschrieben, überzieht.Another modification to the underlying electrode can be made, consists in that at least partially with a water-repellent agent, as described in Example IV, coated.
Eint 9,53 mn (3/8 inch) dicke Scheibe eines nickelplattierten Schaumes nit 21,6 bis 25,6 Poren/cm (55 bis 65/inch) wurde mit der folgenden Lösung bestrichen:One 3/8 inch thick disc of nickel-plated Foam with 21.6 to 25.6 pores / cm (55 to 65 / inch) was coated with the following solution:
GewichtsteileParts by weight
2Ü0Ü8962Ü0Ü896
Die Silikon-Zusammensetzung und der Katalysator waren im Handel als Releasil 2540 bzw. H 2541 erhältlich.The silicone composition and catalyst were commercially available as Releasil 2540 and H 2541, respectively.
Man ließ das Lösungsmittel verdampfen, und der wasserabweisende Film wurde 20 Minuten lang bei 1000C gehärtet. Die erhaltene Scheibe wurde dicht als Boden in ein Glasrohr eingelassen, und man fand, daß sie eine Wassersäule von 3,ö1 cm Höhe (1 1/2 inch) trug. Durch eine ähnliche Scheibe, die nicht mit dem wasserabweisenden Film behandelt worden war, ging das Wasser * geradenwegs hindurch.The solvent was allowed to evaporate and the water-repellent film was cured at 100 ° C. for 20 minutes. The resulting disc was sealed into a glass tube as the bottom and found to support a 3.1 cm (1½ inch) column of water. The water * went straight through a similar pane that had not been treated with the water-repellent film.
Der obige wasserabweisende Schaum wurde mit Hilfe eines Silikonfilmes hergestellt, es ist jedoch klar, daß andere Filme ebenfalls verwendet werden können, z.B. Polytetrafluoräthylen.The above water-repellent foam was made using a silicone film but it will be understood that other films can also be used, e.g., polytetrafluoroethylene.
Die wasserabweisend gemachten Metallschäume sind besonders brauchbar in Gas-Flüssigkeits-Kontaktiervorrichtungen, wie Vorrichtungen zum^^^^PyJ^GaB Fraktionierkolonnen und Gaswäschern, z.B. zur Absorption von Ammoniak. Sie finden auch in Brennstoffelementen Verwendung, wo sie eine zweckdienliche Ga3-Flüssigkeit8-Metallgrenzfläche darstellen, und sie dienen als ) Batterieplatten.The water-repellent metal foams are particularly useful in gas-liquid contacting devices, such as devices for ^^^^ PyJ ^ GaB fractionating columns and gas scrubbers, e.g. for the absorption of ammonia. They are also used in fuel elements, where they provide a convenient Ga3-liquid8-metal interface represent, and they serve as) battery plates.
Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Brennstoffelement- Elektrodenplatte mit poröser Ketallstrtfktur in Form eines dreidimensionalen Netzwerkes, das von den Steven 1-5 gebildet wird.Fig. 1 is a section of a fuel element electrode plate with a porous ketallic structure in the form of a three-dimensional Network formed by Steven 1-5.
0098£fi/1F270098 £ fi / 1F27
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| FR2618428A1 (en) * | 1987-07-22 | 1989-01-27 | Rech Applic Electrochimique | Process for the preparation of para-aminophenol |
| DE3841621A1 (en) * | 1988-12-10 | 1990-07-12 | Draegerwerk Ag | ELECTROCHEMICAL MEASURING CELL WITH MICROSTRUCTURED CAPILLARY OPENINGS IN THE MEASURING ELECTRODE |
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