FR2755542A1 - GAS DIFFUSION ELECTRODES BASED ON POLYETHERSULFONE AND CARBON MIXTURES - Google Patents
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Abstract
Une électrode de diffusion gazeuse entièrement électrocatalytique pour des cellules électrochimiques et un procédé pour leur fabrication est décrit. L'électrode comprend une couche de diffusion gazeuse anisotrope et une couche catalytique. La couche de diffusion gazeuse est constituée d'une matrice de carbone poreux à travers laquelle les particules de carbone et le polyéthersulfone sont distribués de sorte que la matrice soit uniformément poreuse en direction latérale au flux gazeux et asymétriquement poreuse vis-à-vis des gaz en direction du flux gazeux. La couche catalytique est constituée d'une suspension d'encre coagulée contenant des particules de carbone catalytiques et un polymère thermoplastique sélectionné parmi les polyéthersulfones, poly(vinylidène fluorure) et les polysulfones sulfonés et couvre la petite surface de pores de la couche de diffusion gazeuse. La couche de diffusion gazeuse présente une épaisseur comprise entre 50 et 300 mum. La couche catalytique présente un épaisseur comprise entre 7 mum et 50 mum et une charge de catalyseur métallique comprise entre 0,2 mg/cm**2 et 0,5 mg/cm**2.A fully electrocatalytic gas diffusion electrode for electrochemical cells and a process for their manufacture are described. The electrode includes an anisotropic gas diffusion layer and a catalytic layer. The gas diffusion layer consists of a porous carbon matrix through which the carbon particles and the polyethersulfone are distributed so that the matrix is uniformly porous in the direction lateral to the gas flow and asymmetrically porous with respect to the gases in the direction of the gas flow. The catalytic layer consists of a coagulated ink suspension containing catalytic carbon particles and a thermoplastic polymer selected from polyethersulfones, poly(vinylidene fluoride) and sulfonated polysulfones and covers the small pore area of the gas diffusion layer . The gaseous diffusion layer has a thickness of between 50 and 300 µm. The catalytic layer has a thickness of between 7 mum and 50 mum and a metal catalyst charge of between 0.2 mg/cm**2 and 0.5 mg/cm**2.
Description
ELECTRODES DE DIFFUSION GAZEUSE A BASE DE MELANGESGAS DIFFUSION ELECTRODES BASED ON MIXTURES
POLYETHERSULFONE ET CARBONEPOLYETHERSULFONE AND CARBON
La présente invention concerne la fabrication d'électrodes de diffusion gazeuse pour l'utilisation dans des cellules électrochimiques (notamment piles, piles à combustible) à électrolyte en polymère solide, les électrodes de diffusion gazeuse comprenant du polyéthersulfone ("PESF") mélangé à du carbone et à un The present invention relates to the manufacture of gas diffusion electrodes for use in electrochemical cells (in particular cells, fuel cells) with solid polymer electrolyte, the gas diffusion electrodes comprising polyethersulfone ("PESF") mixed with carbon and to a
électrocatalyseur à base de platine métal. platinum metal electrocatalyst.
Etat de la Technique Les cellules électrochimiques du type pile à combustible sont des dispositifs électrochimiques dans lesquels une partie de l'énergie dégagée par une réaction chimique est transformée directement en énergie électrique à courant continu. La transformation directe d'énergie en énergie électrique à courant continu dispense de l'obligation de convertir l'énergie en chaleur, évitant ainsi les limites d'efficacité du cycle de Carnot des méthodes de production d'énergie classiques. Par conséquent, sans la limitation du cycle de Carnot, la technologie des cellules électrochimiques du type pile à combustible offre une efficacité potentielle de combustion deux à trois fois supérieure à celle des dispositifs traditionnmels de production d'énergie, comme par exemple les moteurs à combustion interne. D'autres avantages des cellules électrochimiques constituent le fait qu'elles sont silencieuses, propres (absence de pollution de l'air) et le fait d'une diminution ou d'une élimination complète des STATE OF THE ART Electrochemical cells of the fuel cell type are electrochemical devices in which part of the energy released by a chemical reaction is transformed directly into direct current electrical energy. The direct transformation of energy into direct current electrical energy dispenses with the obligation to convert energy into heat, thereby avoiding the efficiency limits of the Carnot cycle of conventional energy production methods. Consequently, without the limitation of the Carnot cycle, the fuel cell type electrochemical cell technology offers a potential combustion efficiency two to three times greater than that of traditional energy production devices, such as combustion engines internal. Other advantages of electrochemical cells constitute the fact that they are silent, clean (absence of air pollution) and the fact of a reduction or a complete elimination of
parties mobiles.moving parts.
Typiquement, les cellules électrochimiques dy type pile à combustible contiennent deux terminaux électriques poreux appelés électrodes et un électrolyte situé entre ceux-ci. Lors du fonctionnement d'une cellule électrochimique typique, un gaz réducteur passe à travers une électrode de diffusion gazeuse pour atteindre Typically, fuel cell type electrochemical cells contain two porous electrical terminals called electrodes and an electrolyte located between them. During the operation of a typical electrochemical cell, a reducing gas passes through a gas diffusion electrode to reach
une couche de catalyseur, o il réagit pour conduire à deux protons et deux électrons. a layer of catalyst, where it reacts to lead to two protons and two electrons.
Les protons sont transportés jusqu'à la cathode au travers de la couche electro- Protons are transported to the cathode through the electro-
chimique. Les protons sont transportés depuis l'anode jusqu'à la cathode en passant par une résistance externe produisant de l'énergie électrique. L'oxydant diffuse par perméation à travers l'anode pour se combiner avec les électrons auprès d'une couche de catalyseur cathodique. Les réactifs de cellules électrochimiques sont classifiés comme oxydants et réducteurs selon leurs caractéristiques d'accepteur d'électrons ou de donneur d'électrons. Les oxydants comprennent l'oxygène pur, les gaz contenant de l'oxygène (par exemple l'air) et les halogènes (par exemple, le chlore). Les réducteurs comprennent l'hydrogène, le monoxyde de carbone, le gaz naturel, le chemical. The protons are transported from the anode to the cathode via an external resistance producing electrical energy. The oxidant diffuses by permeation through the anode to combine with the electrons near a layer of cathode catalyst. Electrochemical cell reagents are classified as oxidants and reducers according to their characteristics of electron acceptor or electron donor. Oxidizers include pure oxygen, oxygen-containing gases (eg air) and halogens (eg chlorine). Reducers include hydrogen, carbon monoxide, natural gas,
méthane. l'éthane, le formaldéhyde et le méthanol. methane. ethane, formaldehyde and methanol.
L'électrolyte présent dans la cellule électrochimique sert de liaison électrochimique entre les électrodes, fournissant une voie pour le courant ionique dans le circuit, alors que les électrodes, en carbone ou en métal, constituent une piste électrique. De plus, l'électrolyte empêche l'éloignement des réactifs des électrodes respectives o la formation des mélanges explosifs peut avoir lieu. L'électrolyte utilisé ne réagit pas de manière notable avec les réactifs ou les produits réactionnels formés lors du fonctionnement de la cellule électrochimique. En outre, l'électrolyte doit permettre la migration des ions formés pendant le fonctionnement de la cellule électrochimique. Des exemples d'électrolytes ayant été utilisés sont les solutions aqueuses de bases fortes telles que les hydroxydes des métaux alcalins, les solutions aqueuses d'acides tels que l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique, les électrolytes salins aqueux tels que l'eau de mer, les électrolytes salins fondus et les membranes The electrolyte present in the electrochemical cell serves as an electrochemical bond between the electrodes, providing a path for the ion current in the circuit, while the electrodes, made of carbon or metal, constitute an electrical track. In addition, the electrolyte prevents the reagents from moving away from the respective electrodes where the formation of explosive mixtures can take place. The electrolyte used does not react significantly with the reagents or reaction products formed during the operation of the electrochemical cell. In addition, the electrolyte must allow the migration of the ions formed during the operation of the electrochemical cell. Examples of electrolytes that have been used are aqueous solutions of strong bases such as alkali metal hydroxides, aqueous solutions of acids such as sulfuric acid and hydrochloric acid, aqueous saline electrolytes such as water salt, molten salt electrolytes and membranes
de polymères échangeuses d'ions.of ion exchange polymers.
Un type de cellule électrochimique de type pile à combustible est une cellule électrochimique polymère (PEM, en anglais polymer electrolyte fuel cell) à base d'une membrane polymère échangeuse de protons. La cellule électrochimique PEM contient une membrane en polymère solide, une "membrane échangeuse d'ions" qui agit comme électrolyte. La membrane échangeuse d'ions est prise en sandwich entre deux électrodes de "diffusion gazeuse", une anode et une cathode, chacune contenant One type of fuel cell type electrochemical cell is a polymer electrochemical cell (PEM, in English polymer electrolyte fuel cell) based on a proton exchange polymer membrane. The PEM electrochemical cell contains a solid polymer membrane, an "ion exchange membrane" which acts as an electrolyte. The ion exchange membrane is sandwiched between two "gas diffusion" electrodes, an anode and a cathode, each containing
en règle générale un catalyseur métallique sur un matériau de support conducteur. generally a metal catalyst on a conductive support material.
Les électrodes de diffusion gazeuse sont exposées aux réactifs gazeux respectifs, le gaz réducteur et le gaz oxydant. Une réaction électrochimique a lieu à chacune des deux jonctions (interfaces triphasiques) o l'une des électrodes, la membrane The gas diffusion electrodes are exposed to the respective gas reactants, the reducing gas and the oxidizing gas. An electrochemical reaction takes place at each of the two junctions (three-phase interfaces) o one of the electrodes, the membrane
électrolyte polymère et le réactif gazeux sont en contact. polymer electrolyte and the gaseous reagent are in contact.
A titre d'exemple, lorsque l'oxygène est le gaz oxydant et l'hydrogène est le gaz réducteur, l'anode est alimentée d'hydrogène et la cathode d'oxygène. La réaction chimique globale de cette réaction s'écrit alors: 2 H2 + 2 ----> 2 H20. Les réactions électrochimiques qui ont lieu aux sites du catalyseur métallique sont les suivants For example, when oxygen is the oxidizing gas and hydrogen is the reducing gas, the anode is supplied with hydrogen and the cathode with oxygen. The overall chemical reaction of this reaction is then written: 2 H2 + 2 ----> 2 H20. The electrochemical reactions that take place at the metal catalyst sites are as follows
réaction anodique: 2H2 ------> 4H+ + 4e- anodic reaction: 2H2 ------> 4H + + 4th-
réaction cathodique: O2 + 4H+ + 4e- -----> 2 H20O Pendant le fonctionnement de la cellule électrochimique de type pile à combustible, l'hydrogène diffuse à travers l'anode et interagit avec le catalyseur métallique en produisant des électrons et des protons. Les électrons sont conduits vers la cathode via conduction électronique et par le matériau électriquement conducteur et le circuit externe pendant que simultanément, les protons sont transférés vers la cathode via conduction ionique à travers l'électrolyte de membrane cathodic reaction: O2 + 4H + + 4th- -----> 2 H20O During the operation of the fuel cell type electrochemical cell, the hydrogen diffuses through the anode and interacts with the metal catalyst producing electrons and protons. Electrons are conducted to the cathode via electronic conduction and through the electrically conductive material and the external circuit while simultaneously, protons are transferred to the cathode via ionic conduction through the membrane electrolyte
polymère. En même temps, l'oxygène diffuse vers les sites catalytiques à la cathode. polymer. At the same time, oxygen diffuses to the catalytic sites at the cathode.
o l'oxygène récupère des électrons et réagit avec les protons pour donner de l'eau. o oxygen collects electrons and reacts with protons to give water.
Par conséquent, les produits des réactions d'une cellule électrochimique PEM sont l'eau et l'électricité. Dans une cellule électrochimique PEM, le courant est conduit simultanément par conduction ionique et par conduction électronique. L'efficacité de la cellule électrochimique dépend fortement de l'aptitude à minimiser aussi bien la Therefore, the products of the reactions of a PEM electrochemical cell are water and electricity. In a PEM electrochemical cell, the current is conducted simultaneously by ionic conduction and by electronic conduction. The efficiency of the electrochemical cell strongly depends on the ability to minimize both the
résistivité ionique que la résistivité électronique vis-à-vis du courant. ionic resistivity as the electronic resistivity with respect to the current.
Les électrodes de diffusion gazeuse jouent un rôle important dans les cellules électrochimiques. Pendant le fonctionnement de la cellule électrochimique, les gaz combustibles interagissent avec les électrodes de la cellule électrochimique et donnent naissance à des réactions hétérogènes auprès des sites catalyseurs des électrodes. Afin de procéder à ces réactions, le catalyseur de l'électrode doit être simultanément en contact avec le carbone conducteur, l'électrolyte et le gaz combustible. C'est pourquoi l'électrode doit satisfaire aux critères suivants: 1) faible résistance à la diffusion du gaz vers les sites de réaction; 2) conductivité électronique élevée; 3) résistance mécanique élevée permettant un fonctionnement à long terme; Gas diffusion electrodes play an important role in electrochemical cells. During the operation of the electrochemical cell, the combustible gases interact with the electrodes of the electrochemical cell and give rise to heterogeneous reactions near the catalyst sites of the electrodes. In order to carry out these reactions, the electrode catalyst must be simultaneously in contact with the conductive carbon, the electrolyte and the combustible gas. This is why the electrode must meet the following criteria: 1) low resistance to the diffusion of gas towards the reaction sites; 2) high electronic conductivity; 3) high mechanical strength allowing long-term operation;
4) balance hydrophilie/hydrophobie appropriée; et 5) stabilité. 4) appropriate hydrophilic / hydrophobic balance; and 5) stability.
Les électrodes de diffusion gazeuse conventionnelles pour cellules électrochimiques consistent en platine métal sur un support constitué d'un substrat de noir de carbone et polymère. Le polymère sert de liant pour les particules de noir de carbone et assure la cohésion physique, c'est-à-dire la résistance mécanique de l'électrode. Le carbone est utilisé afin de minimiser la résistance électronique de Conventional gas diffusion electrodes for electrochemical cells consist of platinum metal on a support made of a carbon black and polymer substrate. The polymer serves as a binder for the carbon black particles and ensures physical cohesion, that is to say the mechanical resistance of the electrode. Carbon is used to minimize the electronic resistance of
l'électrode alors que le platine sert de catalyseur pour la réaction électrochimique. the electrode while platinum serves as a catalyst for the electrochemical reaction.
La majorité des électrodes de diffusion gazeuse pour cellules électrochimiques utilisent du polytétrafluoroéthylène ("PTFE") comme liant. Ce polymère présente une stabilité thermique élevée ainsi qu'une très bonne résistance chimique. Toutefois, le PTFE ne se dissous dans aucun solvant connu et doit donc être utilisé sous forme de suspension. Cela complique le procédé de fabrication de l'électrode. Plus précisément, lorsque le PTFE est utilisé comme liant polymère pour le carbone, il est The majority of gas diffusion electrodes for electrochemical cells use polytetrafluoroethylene ("PTFE") as a binder. This polymer has high thermal stability as well as very good chemical resistance. However, PTFE does not dissolve in any known solvent and must therefore be used in the form of a suspension. This complicates the manufacturing process of the electrode. More specifically, when PTFE is used as a polymeric binder for carbon, it is
difficile de maîtriser la structure, la porosité et la taille des pores de l'électrode. difficult to control the structure, porosity and size of the pores of the electrode.
Les électrodes de diffusion gazeuse pour cellules électrochimiques de type Teflon sont habituellement fabriquées en mélangeant le PTFE avec du carbone ou du graphite en poudre et en le pressant en une feuille dans laquelle le PTFE sert de liant. Cette feuille est soumise à un traitement thermique à une température de frittage, par exemple 300 C à 350 C, température à laquelle le liant se décompose partiellement en formant une matrice poreuse permettant le passage du gaz et l'interaction avec le carbone. Le Brevet U.S. n 4.847,173 décrit un procédé de fabrication d'une matrice de carbone et de polymère, soit en mélangeant le PTFE en Gas diffusion electrodes for Teflon-type electrochemical cells are usually manufactured by mixing PTFE with carbon or graphite powder and pressing it into a sheet in which PTFE serves as a binder. This sheet is subjected to a heat treatment at a sintering temperature, for example 300 ° C. to 350 ° C., the temperature at which the binder partially decomposes, forming a porous matrix allowing the passage of the gas and the interaction with the carbon. U.S. Patent No. 4,847,173 describes a process for manufacturing a carbon and polymer matrix, either by mixing the PTFE in
combinaison avec d'autres polymères, soit avec des liants de polymères différents. combination with other polymers, either with binders of different polymers.
Le Brevet U.S. n 3,899,354 décrit un autre procédé de fabrication d'une matrice de carbone et de PTFE ou d'autres liants polymères en pulvérisant une suspension d'un mélange de PTFE et de carbone sur du papier carbone jusqu'à obtention d'une couche épaisse qui forme la matrice de l'électrode et chauffage subséquent de la matrice à une température de frittage comme décrit ci-dessus. Cabasso et Manassen décrivent dans Proceedings, Int. PowerSource Symposium, 1990, un autre procédé de fabrication d'électrodes pour cellules électrochimiques. Au lieu de presser ou de pulvériser le liant polymère et le carbone pour obtenir la matrice et de fritter la matrice pour obtenir une couche de diffusion gazeuse, un catalyseur au platine contenant du carbone est mélangé à une solution de fluorure de polyvinylidène (PVF2), étalé et ensuite plongé dans du diméthylformamide, un non-solvant qui précipite le PVF2. Cabasso et al. affirment également que de nombreux autres polymères solubles existent qui résistent aux conditions utilisés dans les cellules électrochimiques, par exemple, de faibles courants de fonctionnement allant jusqu'à 200 mA/cm2, une température de fonctionnement relativement basse (25 C à 35 C) et une pression seulement peu supérieure à la pression atmosphérique. En effet, la plupart des polymères se décomposent en raison de la nature fortement acide des membranes, d'un fonctionnement à température élevée jusqu'à 95 C et des courants électriques US Patent No. 3,899,354 describes another method of manufacturing a carbon matrix and PTFE or other polymeric binders by spraying a suspension of a mixture of PTFE and carbon on carbon paper until a thick layer which forms the matrix of the electrode and subsequent heating of the matrix to a sintering temperature as described above. Cabasso and Manassen describe in Proceedings, Int. PowerSource Symposium, 1990, another method of manufacturing electrodes for electrochemical cells. Instead of pressing or spraying the polymer binder and the carbon to obtain the matrix and sintering the matrix to obtain a gas diffusion layer, a platinum catalyst containing carbon is mixed with a solution of polyvinylidene fluoride (PVF2), spread out and then immersed in dimethylformamide, a non-solvent which precipitates PVF2. Cabasso et al. also claim that many other soluble polymers exist that withstand the conditions used in electrochemical cells, for example, low operating currents up to 200 mA / cm2, a relatively low operating temperature (25 C to 35 C) and a pressure only slightly higher than atmospheric pressure. Indeed, most polymers decompose due to the highly acidic nature of the membranes, an operation at high temperature up to 95 C and electric currents
traversant la matrice pouvant atteindre plusieurs A/cm2. crossing the matrix which can reach several A / cm2.
Cabasso et al. rapportent deux procédés de fabrication de matrices d'électrodes qui contiennent un catalyseur en platine. Selon un procédé, la matrice de l'électrode est fabriquée en étalant de manière homogène une solution contenant un mélange de Cabasso et al. report two methods of making electrode arrays that contain a platinum catalyst. According to a method, the electrode matrix is produced by uniformly spreading a solution containing a mixture of
catalyseur au platine, de carbone, de PVF2 et de solvant sur une plaque en verre. platinum, carbon, PVF2 and solvent catalyst on a glass plate.
Cela a pour effet de répartir de manière uniforme le catalyseur au platine dans toute la matrice de l'électrode. Selon l'autre procédé, une solution d'un mélange de carbone, de catalyseur au platine, de polymère et de solvant est étalé sur une plaque en verre, puis un voile de graphite est placé avec précaution au-dessus du film du mélange et. au- dessus de celui-ci est étalé un mélange de polymère et de carbone sans le catalyseur au platine. L'ensemble est plongé dans de l'eau et présente la structure de trois couches, carbone, catalyseur. polymère collé au carbone d'un coté This has the effect of uniformly distributing the platinum catalyst throughout the matrix of the electrode. According to the other method, a solution of a mixture of carbon, platinum catalyst, polymer and solvent is spread on a glass plate, then a graphite veil is carefully placed over the film of the mixture and . above it is spread a mixture of polymer and carbon without the platinum catalyst. The whole is immersed in water and has the structure of three layers, carbon, catalyst. polymer bonded to carbon on one side
et de l'autre coté une couche de carbone et polymère. and on the other side a layer of carbon and polymer.
Au cours des dernières décades, du PTFE a été généralement utilisé dans la recherche comme liant des substrats de carbone dans les électrodes de diffusion gazeuse (électrode de type Teflon_) et on a focalisé sur la quantité maximale de catalyseur mis en oeuvre dans les électrodes. Le fonctionnement de platine sur carbone/électrocatalyseur-PTFE mélangé à un mélange de carbone comme constituant d'une électrode de diffusion gazeuse dans la cellule électrochimique 1-12/O2 est bien connu. Les mélanges platine sur carbone-PTFE ont généralement été fabriqués en mélangeant du noir de platine, ou du platine sur carbone (mélangé intimement) avec une dispersion colloïdale aqueuse, chargée négativement et hydrophobe de particules de PTFE et en étalant ce mélange sur un substrat de voile de carbone (Rapport n AFML-TR-77-68). Du papier carbone mince, poreux et imperméabilisé a également été utilisé dans la fabrication d'électrode de diffusion gazeuse comme substrat au lieu du voile de carbone, comme décrit dans le Brevet U.S. 3,912,538. Cette électrode a permis de surmonter le problème de submersion During the last decades, PTFE has been generally used in research as a binder for carbon substrates in gas diffusion electrodes (Teflon_ type electrode) and we have focused on the maximum amount of catalyst used in the electrodes. The operation of platinum on carbon / electrocatalyst-PTFE mixed with a mixture of carbon as a constituent of a gas diffusion electrode in the electrochemical cell 1-12 / O2 is well known. Platinum on carbon-PTFE mixtures have generally been produced by mixing platinum black, or platinum on carbon (intimately mixed) with an aqueous colloidal dispersion, negatively charged and hydrophobic of PTFE particles and by spreading this mixture on a substrate of carbon veil (Report no AFML-TR-77-68). Thin, porous, waterproof carbon paper has also been used in the manufacture of a gas diffusion electrode as a substrate instead of carbon veil, as described in U.S. Patent 3,912,538. This electrode overcame the submersion problem
("flooding") pendant le fonctionnement de la cellule électrochimique. ("flooding") during the operation of the electrochemical cell.
Plusieurs techniques ont été mises au point afin d'augmenter la mise en oeuvre de catalyseur au platine. Des procédés permettant de diviser la quantité de catalyseur par dix en utilisant une structure d'électrode améliorée ont été mis au point par les laboratoires de Los Alamos, (Gothesfield et al., J. Appl. Electrochemistry, 22 (1992), p. 1) Los Alamos, New Mexico and Texas A&M University, College Station, Texas, à base d'électrodes de Prototech (Brevet U.S. 4,826,742). Selon leurs procédés, on dépose, sur des électrodes fabriquées par Prototech, chargées de 0,4 mg/cm2 de Pt, du Pt par pulvérisation cathodique afin d'obtenir une couche mince de Pt (0,05 mg/cm2) sur la surface frontale des électrodes. Les cellules électrochimiques assemblées avec ces électrodes et une membrane Nafion 112 présente 1 A/cm2 à 0,5 V en utilisant H2/O2 comme réactifs gazeux et aucune perte notable de performance n'est observée même après 50 jours de fonctionnement. Gothesfield et al. décrivent unl procédé permettant de réduire la charge en platine à 0,15 mg/cm2. Ce procédé implique de peindre la membrane de PTFE avec une encre composée de solvants Several techniques have been developed in order to increase the use of platinum catalyst. Methods for dividing the amount of catalyst by ten using an improved electrode structure have been developed by the laboratories of Los Alamos, (Gothesfield et al., J. Appl. Electrochemistry, 22 (1992), p. 1) Los Alamos, New Mexico and Texas A&M University, College Station, Texas, based on Prototech electrodes (US Patent 4,826,742). According to their methods, Pt is deposited on electrodes manufactured by Prototech, charged with 0.4 mg / cm2 of Pt, by sputtering in order to obtain a thin layer of Pt (0.05 mg / cm2) on the surface. front of the electrodes. The electrochemical cells assembled with these electrodes and a Nafion 112 membrane have 1 A / cm2 at 0.5 V using H2 / O2 as gaseous reagents and no significant loss of performance is observed even after 50 days of operation. Gothesfield et al. describe a process for reducing the platinum load to 0.15 mg / cm2. This process involves painting the PTFE membrane with an ink composed of solvents
organiques, de Pt-C et d'une solution de Nafion. organic, Pt-C and Nafion solution.
Afin de présenter de bonnes performances, une électrode de cellule In order to present good performance, a cell electrode
électrochimique doit avoir une morphologie et une distribution appropriée. electrochemical must have an appropriate morphology and distribution.
L'électrode de cellule électrochimique nécessite une structure poreuse qui fournit une voie de transport libre pour le perméat gazeux et distribue le perméat gazeux sur l'ensemble de la superficie de catalyseur d'électrode. L'efficacité de la distribution du gaz combustible sur le catalyseur d'électrode est fonction de la porosité de The electrochemical cell electrode requires a porous structure which provides a free transport path for the gas permeate and distributes the gas permeate over the entire area of electrode catalyst. The efficiency of fuel gas distribution over the electrode catalyst is a function of the porosity of
l'électrode, un paramètre essentiel pour déterminer l'efficacité de l'électrode. the electrode, an essential parameter for determining the efficiency of the electrode.
Par conséquent. l'objet de la présente invention est la fabrication aisée d'électrodes de diffusion gazeuse à faible coût présentant des propriétés chimiques et électriques avantageuses pour des cellules électrochimiques et pour d'autres Therefore. the object of the present invention is the easy manufacture of low-cost gas diffusion electrodes having advantageous chemical and electrical properties for electrochemical cells and for other
applications électrochimiques.electrochemical applications.
Un autre objet de la présente invention est de fournir une électrode de diffusion Another object of the present invention is to provide a diffusion electrode
gazeuse avec une structure d'électrode, porosité, et taille de pores maîtrisés. gas with an electrode structure, porosity, and controlled pore size.
Un objet de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication d'électrodes de diffusion gazeuse à porosité et taille de pores contrôlées grâce à l'utilisation d'un mélange de carbone activé et de polyéthersulfone dissous dans un solvant organique, que l'on laisse ensuite coaguler, par inversion de phase, dans un non-solvant du mélange, à basse température, sous forme de membrane poreuse Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication d'électrode de diffusion gazeuse dans lesquelles la couche de diffusion gazeuse et la couche de catalyseur sont fabriqués séparément, permettant ainsi une formulation de chaque structure telle que l'on obtient les propriétés les plus appropriées pour leur An object of the present invention is to provide a process for the manufacture of gas diffusion electrodes with controlled porosity and pore size through the use of a mixture of activated carbon and polyethersulfone dissolved in an organic solvent, that the Then allowed to coagulate, by phase inversion, in a non-solvent of the mixture, at low temperature, in the form of a porous membrane. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a gas diffusion electrode in which the gas diffusion layer and the catalyst layer are manufactured separately, thus allowing a formulation of each structure such that one obtains the most suitable properties for their
fonction.function.
Encore un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication d'électrodes de diffusion gazeuse simple en utilisant la technique Yet another object of the present invention is to provide a method of manufacturing simple gas diffusion electrodes using the technique
d'inversion de phase à une seule étape. single stage phase inversion.
Résumé de l'invention Les objectifs et les critères pour les électrodes de diffusion gazeuse mentionnés ci-dessus ainsi que leur fabrication peuvent être réalisés grâce à la présente invention. Selon un aspect, l'invention concerne une électrode de diffusion gazeuse électrocatalytique pour des cellules électrochimiques de type pile à combustible, comprenant: une couche de diffusion gazeuse anisotrope fabriquée à partir d'une matrice de carbone poreuse dans laquelle les particules de carbone et de polyéthersulfone sont distribuées de manière telle que la matrice est uniformément poreuse selon la direction latérale au flux gazeux et asymétriquement poreuse selon la direction du flux gazeux, la porosité de la couche de diffusion gazeuse allant en diminuant selon la direction du flux gazeux, la couche de diffusion gazeuse ayant une épaisseur comprise entre 50 im et 300 gim, et une couche catalytique constituée d'une suspension d"'encre" coagulée contenant des particules catalytiques de carbone et un polymère thermoplastique. la Summary of the Invention The objectives and criteria for the gas diffusion electrodes mentioned above as well as their manufacture can be achieved by the present invention. According to one aspect, the invention relates to an electrocatalytic gas diffusion electrode for electrochemical cells of the fuel cell type, comprising: an anisotropic gas diffusion layer made from a porous carbon matrix in which the particles of carbon and polyethersulfone are distributed in such a way that the matrix is uniformly porous in the direction lateral to the gas flow and asymmetrically porous in the direction of the gas flow, the porosity of the gas diffusion layer decreasing according to the direction of the gas flow, the layer of gas diffusion having a thickness between 50 im and 300 gim, and a catalytic layer made up of a suspension of coagulated "ink" containing catalytic particles of carbon and a thermoplastic polymer. the
couche catalytique couvrant la surface à petits pores de ladite couche de diffusion. catalytic layer covering the small pore surface of said diffusion layer.
ladite couche catalytique ayant une épaisseur comprise entre 7 gLm et 50 ptm et une said catalytic layer having a thickness between 7 gLm and 50 ptm and a
charge en catalyseur métallique comprise entre 0,2 mg/cm2 et 0,5 mg/cm2. load of metallic catalyst of between 0.2 mg / cm2 and 0.5 mg / cm2.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite couche catalytique contient de 5 à 25 % en poids dudit polymère polyéthersulfone. le reste étant des particules de carbone. Selon un second mode de réalisation, ladite couche de diffusion présente un According to one embodiment of the invention, said catalytic layer contains from 5 to 25% by weight of said polyethersulfone polymer. the rest being carbon particles. According to a second embodiment, said diffusion layer has a
rapport polymère:carbone compris entre 20:80 et 45:65. polymer: carbon ratio between 20:80 and 45:65.
Ladite couche de diffusion gazeuse peut comprendre de plus du poly(vinylpyrrolidone). Selon un mode de réalisation préféré, les particules de carbone sont choisies parmi le groupe composé de: carbone actif, noir de carbone et noir d'acétylène et leurs mélanges, les particules de carbone ayant une surface B.E.T. comprise entre 50 Said gas diffusion layer may further comprise poly (vinylpyrrolidone). According to a preferred embodiment, the carbon particles are chosen from the group composed of: active carbon, carbon black and acetylene black and their mixtures, the carbon particles having a B.E.T. between 50
m2/g et 2000 m2/g.m2 / g and 2000 m2 / g.
Le polymère thermoplastique dans la couche catalytique peut être choisi parmi le groupe composé de PVF2, polysulfones sulfonés, polyéthersulfones sulfonés, et The thermoplastic polymer in the catalytic layer can be chosen from the group composed of PVF2, sulfonated polysulfones, sulfonated polyethersulfones, and
poly(phénylène oxyde) sulfonés.sulfonated poly (phenylene oxide).
Les particules de carbone catalytiques peuvent comprendre des particules de catalyseur métallique adhérant à des particules de carbone support, à surface active élevée, les particules de carbone de support ayant une surface B.E.T. comprise entre The catalytic carbon particles can comprise particles of metallic catalyst adhering to support carbon particles, with a high active surface, the support carbon particles having a B.E.T. between
m2/g et 2000 m2/g.m2 / g and 2000 m2 / g.
Lesdites particules de métal catalytique peuvent comprendre des particules de métal noble déposées de manière uniforme sur lesdites particules de carbone de support, ledit métal noble étant choisi parmi le groupe composé de platine, palladium, rhodium et iridium, et étant présent en une quantité comprise entre 10 et Said catalytic metal particles can comprise noble metal particles uniformly deposited on said support carbon particles, said noble metal being chosen from the group composed of platinum, palladium, rhodium and iridium, and being present in an amount between 10 and
% en poids par rapport aux particules de carbone de support. % by weight relative to the supporting carbon particles.
L'épaisseur de ladite couche de diffusion gazeuse peut être comprise entre 75 The thickness of said gas diffusion layer can be between 75
gm et 150 ium.gm and 150 ium.
L'épaisseur de ladite couche catalytique peut être comprise entre 7 PLm et 10 The thickness of said catalytic layer can be between 7 PLm and 10
ptm, et la charge en catalyseur au platine peut être de 0,15 mg/cm2 et 0, 5 mg/cm2. ptm, and the load of platinum catalyst can be 0.15 mg / cm2 and 0.5 mg / cm2.
La couche catalytique peut être constituée d'alliages au platine mélangés avec - 30 % de PESF et 70 - 95 % de particules de carbone. L'invention concerne aussi une cellule electrochimique, notamment une pile à The catalytic layer can consist of platinum alloys mixed with - 30% PESF and 70 - 95% carbon particles. The invention also relates to an electrochemical cell, in particular a battery with
combustible, contenant une telle electrode. combustible, containing such an electrode.
Selon un autre aspect, cette invention concerne un procédé de fabrication d'électrodes de diffusion gazeuse appropriées pour être utilisées dans des cellules électrochimiques, ce procédé comprenant les étapes suivantes: a. fabriquer une couche de diffusion gazeuse anisotrope constituée d'une matrice de carbone poreuse dans laquelle les particules de carbone et de polyéthersulfone sont distribuées de manière telle que la matrice est uniformément poreuse selon la direction latérale au flux gazeux et asymétriquement poreuse selon la direction du flux gazeux. la porosité de ladite couche de diffusion gazeuse allant en diminuant selon la direction du flux gazeux, la couche de diffusion gazeuse ayant une épaisseur comprise entre 50 [tm et 300 ttm, la couche de diffusion gazeuse étant fabriquée 1) en étalant sur un substrat de carbone une mélange de polyéthersulfone et de particules de carbone dissoutes dans un solvant pour le polyéthersulfone et les particules de carbone à l'aide d'une racle afin de former une couche de film sur le substrat en carbone, le mélange pénétrant au moins dans une partie du substrat en carbone; 2) en laissant coaguler le filmn dans un liquide de coagulation qui est un non-solvant pour le polyéthersulfone et les particules de carbone; et 3) en éliminant le liquide de coagulation; et b. peindre sur la petite surface de pores de la couche de diffusion gazeuse une couche catalytique constituée d'une encre en suspension aqueuse contenant des particules de carbone catalytiques et un polymère thermoplastique, ladite suspension comprenant 0,5 à 2 % de polymère thermoplastique, ledit polymère thermoplastique étant sélectionné parmi un groupe composé de polyéthersulfone, poly(fluorure de vinylidène) et polysulfones sulfonés, la couche catalytique couvrant la petite surface de pore de ladite couche de diffusion gazeuse, ladite couche catalytique ayant une épaisseur comprise entre 7 gLm et 50 pm et une charge de catalyseur métallique According to another aspect, this invention relates to a method of manufacturing gas diffusion electrodes suitable for use in electrochemical cells, this method comprising the following steps: a. fabricating an anisotropic gas diffusion layer consisting of a porous carbon matrix in which the particles of carbon and polyethersulfone are distributed in such a way that the matrix is uniformly porous in the direction lateral to the gas flow and asymmetrically porous in the direction of the flow gaseous. the porosity of said gas diffusion layer decreasing in the direction of the gas flow, the gas diffusion layer having a thickness of between 50 [tm and 300 ttm, the gas diffusion layer being produced 1) by spreading on a substrate of carbon a mixture of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent for the polyethersulfone and the carbon particles using a doctor blade in order to form a film layer on the carbon substrate, the mixture penetrating at least one part of the carbon substrate; 2) by allowing the film to coagulate in a coagulation liquid which is a non-solvent for the polyethersulfone and the carbon particles; and 3) removing the coagulation liquid; and B. painting on the small pore surface of the gas diffusion layer a catalytic layer consisting of an aqueous suspension ink containing catalytic carbon particles and a thermoplastic polymer, said suspension comprising 0.5 to 2% of thermoplastic polymer, said polymer thermoplastic being selected from a group composed of polyethersulfone, poly (vinylidene fluoride) and sulfonated polysulfones, the catalytic layer covering the small pore surface of said gas diffusion layer, said catalytic layer having a thickness of between 7 gLm and 50 μm and a metal catalyst charge
comprise entre 0,2 mg/cm2 et 0,5 mg/cm2. between 0.2 mg / cm2 and 0.5 mg / cm2.
Selon un mode de réalisation, dans l'étape (a)(l), ladite couche de diffusion gazeuse est fabriquée à partir d'une solution comprenant 5 % en poids de PESF According to one embodiment, in step (a) (l), said gas diffusion layer is made from a solution comprising 5% by weight of PESF
dans du N,N'-diméthylformamide.in N, N'-dimethylformamide.
Selon encore un autre mode de réalisation, dans l'étape (a)(1), le mélange de polyéthersulfone et de particules de carbone dissous dans un solvant pour le polyéthersulfone est soumis à sonication pour une durée suffisante pour mélanger de According to yet another embodiment, in step (a) (1), the mixture of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent for the polyethersulfone is subjected to sonication for a sufficient time to mix
façon homogène le polyéthersulfone avec les particules de carbone. homogeneously the polyethersulfone with the carbon particles.
Dans l'étape (a)(l), le solvant pour le polyéthersulfone peut être choisi parmi In step (a) (l), the solvent for the polyethersulfone can be chosen from
un groupe composé de N,N'-diméthylformamide, N,N-diméthylacétamide, N- a group composed of N, N'-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-
méthylpyrrolidone et diméthyl sulfoxyde. methylpyrrolidone and dimethyl sulfoxide.
Dans l'étape (a)(2), ladite couche de diffusion gazeuse peut être fabriquée à In step (a) (2), said gas diffusion layer can be manufactured at
partir d'un liquide de coagulation choisi parmi un groupe composé d'eau, hexane. starting from a coagulation liquid chosen from a group composed of water, hexane.
éthanol, eat/NN'-diméthyl-formamide, eau/éthanol, eau/méthanol, eau/isopropanol. ethanol, eat / NN'-dimethyl-formamide, water / ethanol, water / methanol, water / isopropanol.
tétrahydro-furane, et leurs mélange. tetrahydro-furan, and mixtures thereof.
Dans l'étape (b) ledit liquide de coagulation peut avoir une température In step (b) said coagulation liquid can have a temperature
comprise entre la température ambiante et -30 C. between room temperature and -30 C.
Dans l'étape (b), ladite couche catalytique peut comprendre un tensioactif non In step (b), said catalytic layer can comprise a non-surfactant
ionique.ionic.
Dans l'étape(b). la peinture peut être effectuée avec la technique de peinture In step (b). painting can be done with painting technique
par pulvérisateur.by sprayer.
Le procédé de fabrication selon l'invention peut comporter en outre l'étape (c) de frittage de l'électrode finie entre 200 C et 300 C pour une durée comprise entre The manufacturing method according to the invention may also include step (c) of sintering the finished electrode between 200 C and 300 C for a period of between
15 minutes et 2 heures.15 minutes and 2 hours.
D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la Other goals, characteristics and advantages will become apparent from reading the
description des différents modes de réalisation de l'invention, faite à titre non description of the various embodiments of the invention, given without
limitatif et en regard des figures en annexe, dans lesquelles: La figure I est une photographie par microscopie électronique à balayage (SEM) d'une section transversale d'une électrode de diffusion gazeuse PESF- carbone limiting and with reference to the appended figures, in which: FIG. I is a photograph by scanning electron microscopy (SEM) of a cross section of a PESF-carbon gas diffusion electrode
selon la présente invention (a) grossissement 200X, (b) grossissement 500X. according to the present invention (a) 200X magnification, (b) 500X magnification.
La figure 2 est une photographie par microscopie électronique à balayage d'une section transversale d'une électrode de diffusion gazeuse PESFcarbone selon la présente invention (a) grossissement 400X, (b) Cartographie du Pt par rayons X. La figure 3 est un graphique du potentiel de la cellule (tension de la cellule (V)) en fonction de la densité de courant (A/cm2) pour une cellule électrochimique assemblée selon l'invention, contenant une électrode de diffusion gazeuse fabriquée Figure 2 is a scanning electron micrograph of a cross section of a PESFcarbon gas diffusion electrode according to the present invention (a) 400X magnification, (b) Mapping of Pt by X-rays. Figure 3 is a graph of the cell potential (cell voltage (V)) as a function of the current density (A / cm2) for an electrochemical cell assembled according to the invention, containing a gas diffusion electrode manufactured
selon l'exemple 1 avec des membranes Nafion 112 à 80 C, sous 30 psig (207 kPa). according to Example 1 with Nafion 112 membranes at 80 C, under 30 psig (207 kPa).
La figure 4 est un graphique du potentiel de la cellule (tension de la cellule (V)) en fonction de la densité de courant (A/cm2) pour une cellule électrochimique assemblée selon l'invention, contenant une électrode de diffusion gazeuse fabriquée selon l'exemple I avec des membranes Nafion 112 testée à différentes pressions gazeuses d'hydrogène-oxygène: (o) 10 psig(69kPa) (.) 20 psig (138kPa); et (V) 30 FIG. 4 is a graph of the cell potential (cell voltage (V)) as a function of the current density (A / cm 2) for an electrochemical cell assembled according to the invention, containing a gas diffusion electrode manufactured according to Example I with Nafion 112 membranes tested at different hydrogen-oxygen gas pressures: (o) 10 psig (69kPa) (.) 20 psig (138kPa); and (V) 30
psig (209 kPa).psig (209 kPa).
Le matériau polymère a simultanément plusieurs fonctions dans l'électrode de diffusion gazeuse de la cellule électrochimique. Il agit comme liant pour assurer la The polymer material simultaneously has several functions in the gas diffusion electrode of the electrochemical cell. It acts as a binder to ensure the
cohésion du catalyseur au carbone et l'intégrité de l'électrode et la rend hydrophobe. cohesion of the catalyst to carbon and the integrity of the electrode and makes it hydrophobic.
Le catalyseur à base de platine métal (Pt) fonctionne le mieux dans une électrode si The platinum metal (Pt) catalyst works best in an electrode if
il est simultanément en contact avec le carbone, l'électrolyte, et les réactifs gazeux. it is simultaneously in contact with carbon, electrolyte, and gaseous reactants.
Afin de permettre une utilisation importante de platine, une faible perte ohmique et empêcher l'immersion, la matrice de l'électrode est construite afin de satisfaire de ces conditions. La structure est fabriquée de telle manière que les voies de conduction ionique et électronique soient courtes et présentent un minimum de sinuosités, alors que le catalyseur et exposé au maximum et les gaz réactifs sont utilisés sans se noyer et sans condensation. Compte tenu du fait que le platine est un catalyseur coûteux, il sera utilisé en quantité minimale avec une efficacité maximale. Dans ce but, il a été In order to allow a significant use of platinum, a low ohmic loss and to prevent immersion, the matrix of the electrode is constructed in order to satisfy these conditions. The structure is manufactured in such a way that the ionic and electronic conduction paths are short and have a minimum of sinuosities, while the catalyst and exposed to the maximum and the reactive gases are used without drowning and without condensation. In view of the fact that platinum is an expensive catalyst, it will be used in minimum quantity with maximum efficiency. For this purpose, it has been
mis en évidence que la localisation du Pt à proximité de la surface de l'électrode. highlighted as the location of the Pt near the surface of the electrode.
adjacente aux réactifs gazeux, conduit à une performance de l'électrode la plus avantageuse. Le modèle de structure en couches duales de Bacon (cf. Brevet G.B. n 667 298) a été largement accepté. Il a une structure asymétrique anisotrope avec du coté gaz une couche de pores ouverts sur les cotés et du coté électrolyte les autres pores relativement petits et fins. Les premiers peuvent faciliter le transport du gaz, les derniers seront remplis d'électrolyte et empêcheront ainsi la diffusion ultérieure adjacent to the gaseous reagents, leads to the most advantageous electrode performance. The Bacon dual layered structure model (see G.B. Patent No. 667,298) has been widely accepted. It has an asymmetric anisotropic structure with on the gas side a layer of open pores on the sides and on the electrolyte side the other relatively small and fine pores. The former can facilitate the transport of gas, the latter will be filled with electrolyte and thus prevent subsequent diffusion
du gaz qui provoquerait des problèmes de traversée du gaz (crossover). gas which would cause crossover problems.
Les déposants ont découvert qu'un polymère thermoplastique peu coûteux, le polyéthersulfone, peut être utilisé pour former un mélange de polyéthersulfone et de The applicants have discovered that an inexpensive thermoplastic polymer, polyethersulfone, can be used to form a mixture of polyethersulfone and
particules de carbone qui est approprié en tant que matériau de matrice d'électrode. carbon particles which is suitable as an electrode matrix material.
Le polyéthersulfone est un polymère amorphe hydrophobe présentant une température de transition vitreuse élevée. Il résiste à un environnement oxydant et réducteur. De plus, il présente une bonne durabilité et une aptitude de travail à pH faible. Le polyéthersulfone s'est révélé être un bloc de construction excellent pour diverses membranes poreuses pour la séparation de gaz (I. Cabasso dans "Encyclopedia Polymer Science and Engineering", deuxième édition, John Wiley & Sons, Inc. 9, 509 (1987)) et l'ultrafiltration. Les polyéthersulfones appropriés selon la présente invention présentent un poids moléculaire moyen compris entre 25 000 et 100 000 et comprennent ceux ayant les monomères suivants: et Selon la présente invention, lorsque le polyéthersulfone est mélangé à des particules de carbone selon un rapport en poids de polymère à carbone compris entre :80 et 45:65, le polyéthersulfone agit pour lui seul comme liant excellent pour les particules de carbone présentes dans le mélange. Par conséquent, le polyéthersulfone peut être utilisé avec succès pour remplacer les polymères PTFE plus coûteux comme liant et adjuvant de matrice pour des électrodes de diffusion gazeuse. Le polymère polyéthersulfone dans le mélange fournit une structure d'électrode ayant des propriétés nécessaires pour fabriquer des électrodes de cellules électrochimiques Polyethersulfone is a hydrophobic amorphous polymer with a high glass transition temperature. It resists an oxidizing and reducing environment. In addition, it has good durability and a workability at low pH. Polyethersulfone has been shown to be an excellent building block for various porous membranes for gas separation (I. Cabasso in "Encyclopedia Polymer Science and Engineering", second edition, John Wiley & Sons, Inc. 9, 509 (1987) ) and ultrafiltration. The polyethersulfones suitable according to the present invention have an average molecular weight of between 25,000 and 100,000 and include those having the following monomers: and according to the present invention, when the polyethersulfone is mixed with carbon particles in a weight ratio of polymer with carbon between: 80 and 45:65, the polyethersulfone acts by itself as an excellent binder for the carbon particles present in the mixture. Therefore, polyethersulfone can be successfully used to replace more expensive PTFE polymers as a binder and matrix adjuvant for gas diffusion electrodes. The polyethersulfone polymer in the blend provides an electrode structure having properties necessary for making electrodes of electrochemical cells
de haute qualité. L'électrode de diffusion gazeuse selon l'invention est préparée selon unHigh quality. The gas diffusion electrode according to the invention is prepared according to a
procédé à deux étapes. La première étape utilise la méthode d'inversion de phases pour fabriquer une couche de diffusion gazeuse anisotrope selon l'invention. ayant une épaisseur supérieure à 50 pim, de préférence supérieure à 75 pim et inférieure à 300 g.m et de préférence en-dessous de 150 tm. La méthode d'inversion de phases comprend la séquence d'étapes suivantes: 1) étaler à l'aide d'une racle sur un substrat en carbone ou une plaque en verre un mélange de polyéthlersulfone et de particules de carbone dissous dans un solvant pour le polyéthersulfone, formant une couche de film sur le substrat en carbone; 2) faire coaguler le film dans un liquide de coagulation qui est un non-solvant pour le polyéthersulfone; et 3) sécher le film afin proceeded in two stages. The first step uses the phase inversion method to manufacture an anisotropic gas diffusion layer according to the invention. having a thickness greater than 50 μm, preferably greater than 75 μm and less than 300 g.m and preferably below 150 μm. The phase inversion method includes the following sequence of steps: 1) spread using a doctor blade on a carbon substrate or a glass plate a mixture of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent to polyethersulfone, forming a film layer on the carbon substrate; 2) coagulating the film in a coagulation liquid which is a non-solvent for polyethersulfone; and 3) dry the film so
d'éliminer le liquide de coagulation. to remove the coagulation fluid.
La deuxième étape consiste à fabriquer une couche de catalyseur en utilisant The second step is to make a layer of catalyst using
un pulvérisateur pour peindre une couche de l'encre" de polymère-carbone- a sprayer to paint a layer of "polymer-carbon" ink
catalyseur sur la couche de diffusion gazeuse carbone-polymère, "l'encre" catalytique ayant une épaisseur supérieure à 7 j.m, et inférieure à 50 lim, de préférence inférieure à 10 lim. Le rapport entre le catalyseur métal sur carbone et l"'encre" est compris entre 25:75 et 40:60 en poids. L'électrode selon cette invention présente une porosité supérieure dans la couche de diffusion gazeuse, une charge en catalyseur plus faible et une utilisation de catalyseur plus élevée. La cellule électrochimique catalyst on the carbon-polymer gas diffusion layer, the catalytic "ink" having a thickness greater than 7 µm, and less than 50 lim, preferably less than 10 lim. The ratio of the metal to carbon catalyst to the "ink" is between 25:75 and 40:60 by weight. The electrode according to this invention has a higher porosity in the gas diffusion layer, a lower catalyst charge and a higher catalyst use. The electrochemical cell
assemblée avec cette électrode présente une performance élevée. assembled with this electrode has high performance.
Le substrat de carbone est une feuille fibreuse ou poreuse ayant une épaisseur supérieure à 7 gm, de préférence supérieure à 10 pim et inférieure à 35 ltm, de préférence inférieure à 25 gm. Les substrats de carbone appropriés comprennent le papier carbone, la toile de carbone conductrice, le feutre de carbone hautement The carbon substrate is a fibrous or porous sheet having a thickness greater than 7 gm, preferably greater than 10 µm and less than 35 ltm, preferably less than 25 gm. Suitable carbon substrates include carbon paper, conductive carbon fabric, highly carbon felt
conducteur, du ruban de carbone et similaires. conductor, carbon tape and the like.
Le carbone particulaire peut être par exemple le noir de carbone à surface active d'environ 50 à 2000 m2/g, déterminé avec la méthode B.E.T. Un carbone particulaire approprié comprend le charbon actif ou le noir de carbone, c'est-à-dire la poudre de carbone très finement divisée. Lorsque mesuré par la méthode B.E.T., les poudres de carbone commercialisés utiles dans cette invention présentent une surface active comprise entre 50 m2/g et 2000 m2/g. De telles poudres comprennent les noirs de fourneau, les noirs de fumée, les noirs d'acétylène, les noirs au tunnel, les suies inactives. Les noirs de fourneau présentant une surface active comprise entre m2/g et 600 m2/g sont préférés. La taille granulométrique de ces matériaux de carbone actif peut être dans la gamme de 5 jusqu'à 1000 nanomètres, mais sont de The particulate carbon can be, for example, carbon black with an active surface of about 50 to 2000 m2 / g, determined with the B.E.T. A suitable particulate carbon includes activated carbon or carbon black, i.e. very finely divided carbon powder. When measured by the B.E.T. method, the commercial carbon powders useful in this invention have an active surface of between 50 m2 / g and 2000 m2 / g. Such powders include furnace blacks, smoke blacks, acetylene blacks, tunnel blacks, inactive soot. Furnace blacks having an active surface of between m2 / g and 600 m2 / g are preferred. The particle size of these active carbon materials can be in the range of 5 to 1000 nanometers, but are of
préférence de taille moyenne inférieure à 300 nanomètres. preferably of average size less than 300 nanometers.
La méthode B.E.T. fait référence à la méthode de détermination de la surface The B.E.T. refers to the method of determining the area
active de Brunaver-Emmett-Teller.active of Brunaver-Emmett-Teller.
Le terme "noir de carbone" est utilisé tel que défini dans le Brevet U.S. n The term "carbon black" is used as defined in U.S. Patent n
4.440.167 de Solomon.4,440,167 to Solomon.
Des noirs de carbone du commerce ayant une surface B.E.T. comprise entre 50 et 300 m2/g du commerce peuvent être activés par vapeur si souhaité, avec pour effet d'accroître leur surface active et d'augmnenter ainsi leur valeur B.E.T. qui peut Commercial carbon blacks having a B.E.T. between 50 and 300 m2 / g of commerce can be activated by steam if desired, with the effect of increasing their active surface and thus increasing their B.E.T. that can
atteindre jusqu'à 600 m2/g.reach up to 600 m2 / g.
Les caractéristiques de surface des noirs de carbone peut être variable. Certains de ces noirs de carbone présentent des fonctionalités de surface, c'est-à-dire des groupes carboxyles (et d'autres types portant de l'oxygène) ou des groupes contenant du fluor en surface. Les caractéristiques physico-chimiques et le contenu en cendres sont également variables. De plus, les noirs de carbone peuvent être graphités (les poudres de noir de carbone acquièrent ainsi certaines des caractéristiques structurelles du graphite) ou graphités puis traités pour rétablir ou augmenter la The surface characteristics of carbon blacks can be variable. Some of these carbon blacks have surface functionalities, i.e., carboxyl groups (and other types carrying oxygen) or groups containing fluorine on the surface. The physico-chemical characteristics and the ash content are also variable. In addition, carbon blacks can be graphitized (carbon black powders thus acquire some of the structural characteristics of graphite) or graphitized and then treated to restore or increase the
fonctionalité en surface.surface functionality.
Les noirs de carbone commercialisés préférés comprennent les BLACK Preferred commercial carbon blacks include BLACKs
PEARLS, c'est-à-dire BLACK PEARL 2000, VULCAN (par exemple Vulcan VX- PEARLS, i.e. BLACK PEARL 2000, VULCAN (e.g. Vulcan VX-
72), KETJEN BLACK EC 300J (Akzo Chemie Americo of Burt, New York), du charbon de bois actif, du noir d'acétylène C-100, ou des mélanges de ceux-ci. Les matériaux KETJEN BLACK disponibles sont des noirs de fourneaux d'huile à surface B.E.T. dans la gamme de 900 jusqu'à environ 1000 m2/g, et le EC 300J en particulier paraît avoir une surface active de 950 m2/g. Le KETJEN BLACK EC 300J contient une proportion importante de carbone mnésophasique et présente par conséquent des régions avec un ordre à longue distance. Ces régions peuvent rendre le carbone plus résistant à la corrosion, ce qui est important pour les applications cathodiques. Conformément au Brevet U.S. n 4,461,814 de Klinedienst. les noirs de fourneaux d'huile KETJEN BLACK présentent aussi bien une surface active élevée (supérieure à 900 m2/g) que des indices d'absorption de dibutyl diphtalate ("DBP") élevés. Klinedienst décrit que lorsque l'indice d'absorption est déterminé par le test ASTM D-2414- 70, l'indice d'adsorption sera de préférence supérieur à 125 cm3 par g de noir de carbone (par exemple supérieur à 230 cm3/100 g) et la surface active sera supérieure à 250 m2/g. afin de fournir un noir de carbone pour collecteur de cathode à caractéristiques optimales. L'indice d'adsorption DBP pour le KETJEN BLACK est rapporté par Klinedienst égal à 340 cm3/100 g. Les noirs d'acétylène 72), KETJEN BLACK EC 300J (Akzo Chemie Americo of Burt, New York), activated charcoal, acetylene black C-100, or mixtures thereof. The available KETJEN BLACK materials are oil stove blacks with a B.E.T. in the range of 900 up to around 1000 m2 / g, and the EC 300J in particular seems to have an active surface of 950 m2 / g. The KETJEN BLACK EC 300J contains a significant proportion of mesophasic carbon and therefore presents regions with long-range order. These regions can make the carbon more resistant to corrosion, which is important for cathodic applications. In accordance with U.S. Patent No. 4,461,814 to Klinedienst. KETJEN BLACK oil furnace blacks have both a high active surface (greater than 900 m2 / g) and high absorption indices of dibutyl diphtalate ("DBP"). Klinedienst describes that when the absorption index is determined by the ASTM D-2414-70 test, the adsorption index will preferably be greater than 125 cm3 per g of carbon black (for example greater than 230 cm3 / 100 g) and the active surface will be greater than 250 m2 / g. to provide carbon black for a cathode collector with optimal characteristics. The DBP adsorption index for KETJEN BLACK is reported by Klinedienst equal to 340 cm3 / 100 g. Acetylene blacks
présentent souvent des indices d'adsorption élevés mais des faibles surfaces actives. often have high adsorption indices but weak active surfaces.
En revanche, les noirs de carbone de Lurgi (de Lurgi Umivett et Chemoteclmnik GmbH) peuvent avoir des surfaces B.E.T. très élevées (supérieur à 1200 m2, g) et un faible indice d'absorption (inférieur à 100 cm3/10Og). Il a également été rapporté que In contrast, carbon blacks from Lurgi (from Lurgi Umivett and Chemoteclmnik GmbH) may have B.E.T. very high (greater than 1200 m2, g) and a low absorption index (less than 100 cm3 / 10Og). It has also been reported that
les noirs de carbone "CSX" (commercialisés par Cabot Corporation of Billerica. "CSX" carbon blacks (sold by Cabot Corporation of Billerica.
MA) présentent des surfaces B.E.T. élevées et des indices d'absorption DBP élevés. MA) have B.E.T. high and high DBP absorption indices.
Des solvants appropriés pour le mélange de polyéthersulfone et de carbone comprennent ceux choisis dans le groupe composé de N.N'- diméthylformamide ("DMF"), N,N-diméthyl acétamide. N-méthylpyrrolidone et diméthyl sulfoxyde. La quantité de solvant nécessaire pour dissoudre le polyéthersulfone est variable selon le solvant. A titre d'exemple. 10% en poids de polyéthersulfone sont dissous dans Solvents suitable for blending polyethersulfone and carbon include those selected from the group consisting of N.N'-dimethylformamide ("DMF"), N, N-dimethyl acetamide. N-methylpyrrolidone and dimethyl sulfoxide. The amount of solvent required to dissolve the polyethersulfone is variable depending on the solvent. For exemple. 10% by weight of polyethersulfone are dissolved in
du DMF.DMF.
Des liquides ou solvants de coagulation appropriés qui sont des nonsolvants du polyéthersulfone et des particules de carbone sont ceux choisis du groupe Suitable coagulation liquids or solvents which are polyethersulfone nonsolvents and carbon particles are those selected from the group.
composé d'eau, isopropanol et hexane, et les mélanges d'eau et d'isopropanol. composed of water, isopropanol and hexane, and mixtures of water and isopropanol.
Les matériaux poreux tels que le Vulcan XC-72, le Acetylene Black C-100 et le Black Pearl 2000 peuvent être utilisés pour fabriquer des électrodes de diffusion gazeuse selon le procédé des déposants sans conduire à des problèmes d'immersion d'eau (flooding) généralement rencontrés lorsque de tels carbones sont utilisés dans des cellules électrochimiques. De tels carbones absorbent les liquides en quantités tellement immenses que l'on peut s'attendre à une immersion des électrodes à gaz si le carbone est étalé en mélange. Si l'on utilise des carbones à faible surface active tels que le Vulcan XC-72 ou autres, ils n'absorbent pas beaucoup de liquide et trop de liquide est nécessaire pour produire une composition qui peut être étalée en un film. Par conséquent, même un film d'une épaisseur de quelques centaines de micromètres ainsi fabriqué ne contient pas assez de matériau de carbone actif pour l'électrode. De plus, les matériaux de carbone tel que le charbon, de bois, ont une résistance électrique élevée et dû à leur taille, ils forment une matrice très poreuse qui ne peut pas tolérer les pressions élevées auxquelles les cellules électro-chimiques assemblées sont exposées, par exemple des pressions comprises entre 20 psi Porous materials such as Vulcan XC-72, Acetylene Black C-100 and Black Pearl 2000 can be used to make gas diffusion electrodes according to the process of depositors without leading to problems of water immersion (flooding ) generally encountered when such carbons are used in electrochemical cells. Such carbons absorb liquids in such immense quantities that one can expect immersion of the gas electrodes if the carbon is spread in a mixture. If low active area carbons such as Vulcan XC-72 or the like are used, they do not absorb much liquid and too much liquid is required to produce a composition which can be spread into a film. Therefore, even a film a few hundred micrometers thick thus produced does not contain enough active carbon material for the electrode. In addition, carbon materials such as coal, wood, have a high electrical resistance and due to their size, they form a very porous matrix which cannot tolerate the high pressures to which the assembled electro-chemical cells are exposed, for example pressures between 20 psi
(138kPa) et 100 psi (690kPa).(138kPa) and 100 psi (690kPa).
Par conséquent, le charbon de bois n'a pas été utilisé dans la fabrication Therefore, charcoal was not used in the manufacture
d'électrodes pour cellules électrochimiques. electrodes for electrochemical cells.
Les déposants ont découvert de manière inattendue que le problème d'immersion (flooding) pouvait être surmonté et que de tels matériaux pouvaient être étalés dans un solvant en utilisant la sonication à fréquences élevées. Ainsi, afin de surmonter le problème de l'absorption immense de liquides par les matériaux de carbone tels que le Vulcan CX-72, qui sont habituellement utilisés dans la fabrication d'électrodes pour des cellules électrochimiques. un solvant organique (DMF) et le polyéthersulfone sont traités ensemble avec le matériau de carbone pour obtenir une suspension qui est soigneusement mélangée à l'aide d'un sonicateur. La sonication à hautes fréquences conduit à une pâte qui peut être étalée sur un substrat de voile de carbone en l'épaisseur souhaitée. Les déposants supposent que la sonication prévient le carbone d'absorber suffisamment de liquide pour gêner la formation d'une électrode à l'aide de l'étape d'étalement. Les déposants ont trouvés que lorsque uin mélangie de polyéthersulfone, catalyseur au platine et matériau de carbone sont soumis à une sonication. on obtient une pâte qui peut être étalée en des épaisseurs bien plus faibles, avec une interférence de solvant amoindrie lors de l'étalement. Par conséquent, l'invention des déposants permet l'étalement de carbones Applicants have unexpectedly discovered that the flooding problem can be overcome and that such materials can be spread in a solvent using high frequency sonication. Thus, in order to overcome the problem of the immense absorption of liquids by carbon materials such as the Vulcan CX-72, which are usually used in the manufacture of electrodes for electrochemical cells. an organic solvent (DMF) and the polyethersulfone are treated together with the carbon material to obtain a suspension which is thoroughly mixed using a sonicator. The high frequency sonication leads to a paste which can be spread on a carbon veil substrate in the desired thickness. The applicants assume that the sonication prevents the carbon from absorbing enough liquid to interfere with the formation of an electrode using the spreading step. The applicants have found that when a mixture of polyethersulfone, platinum catalyst and carbon material is subjected to sonication. a paste is obtained which can be spread in much smaller thicknesses, with reduced solvent interference during spreading. Consequently, the invention of the applicants allows the spreading of carbons
qui sont courants pour des cellules électrochimiques. which are common for electrochemical cells.
La formation de bonnes électrodes de diffusion gazeuse nécessite la diffusion homogène des réactifs gazeux au sein de la matrice de l'électrode de diffusion gazeuse. Les gaz sont des fluides et se comportent comme des fluides qui s'écoulent le long du chemin de plus faible résistance. Dans la cellule électrochimique, les réactifs gazeux s'écoulent vers la couche de catalyseur o ils sont consommés. Un problème dans les dispositifs de cellules électrochimiques, et en particulier des électrodes, est l'homogénéité des voies. Si la matrice de l'électrode est plus dense dans une région et moins dense dans une autre, le flux gazeux sera dirigé vers la The formation of good gas diffusion electrodes requires the homogeneous diffusion of the gas reactants within the matrix of the gas diffusion electrode. Gases are fluids and behave like fluids that flow along the path of least resistance. In the electrochemical cell, the gaseous reactants flow to the catalyst layer where they are consumed. A problem in the devices of electrochemical cells, and in particular of electrodes, is the homogeneity of the channels. If the electrode matrix is denser in one region and less dense in another, the gas flow will be directed to the
région moins dense. Il en résulte que le catalyseur ne sera pas complètement utilisé. less dense region. As a result, the catalyst will not be used completely.
L'électrode de diffusion gazeux des déposants a une matrice d'électrode qui est latéralement homogène et asymétrique selon la direction du flux gazeux. Cela signifie que lors de l'entrée dans l'électrode, les gaz pénètrent l'électrode de diffusion gazeuse par la surface qui est "ouverte", moins résistante, et au fur et à mesure que les gaz diffusent, la matrice de l'électrode devient progressivement plus dense et ses pores plus petits. Par conséquent, la matrice d'électrode de la présente invention présente une structure poreuse anisotrope avec deux couches de surface The depositing gas diffusion electrode has an electrode matrix which is laterally homogeneous and asymmetrical according to the direction of the gas flow. This means that upon entering the electrode, the gases penetrate the gas diffusion electrode through the surface which is "open", less resistant, and as the gases diffuse, the matrix of the electrode becomes progressively denser and its pores smaller. Therefore, the electrode array of the present invention has an anisotropic porous structure with two surface layers
asymétriques, comme on le voit dans la figure 1. asymmetrical, as seen in Figure 1.
Les déposants ont également trouvés que lorsqu'un mélange tel que de PVF2. The applicants have also found that when a mixture such as PVF2.
d'un matériau de carbone et d'un catalyseur au platine n'est pas soumis à une sonication et est étalé sous forme de solution sur un substrat en verre comme décrit dans la publication de Cabasso et al. de 1990. des surfaces à double densité se carbon material and a platinum catalyst is not sonicated and is spread as a solution on a glass substrate as described in the publication by Cabasso et al. from 1990. double density surfaces are
forment dû à la nature de l'interaction entre le verre et le mélange polymère-carbone. form due to the nature of the interaction between the glass and the polymer-carbon mixture.
Contrairement à toute attente, les déposants ont trouvé que la pâte soumise à la sonication doit être étalée sur un tissu de carbone ou du papier de carbone pour assurer la structure anisotrope de l'électrode qui facilite l'entrée des gaz diffusés. La pâte soumise à la sonication, lorsqu'elle est étalée sur un tissu de carbone qui est Contrary to all expectations, the applicants have found that the dough subjected to sonication must be spread on a carbon cloth or carbon paper to ensure the anisotropic structure of the electrode which facilitates the entry of the diffused gases. The dough subjected to sonication, when spread on a carbon cloth which is
ensuite submergé d'eau assure la structure anisotrope. then submerged in water ensures the anisotropic structure.
Les diffusion et distribution des gaz dans la matrice sont importantes à l'égard de la performance des l'électrodes. Le calcul de la couche gazeuse sur le tissu de carbone a été étudié de manière intensive. Les déposants ont également découverts The diffusion and distribution of gases in the matrix are important with regard to the performance of the electrodes. The calculation of the gaseous layer on the carbon fabric has been studied intensively. The depositors also discovered
que lorsque la pâte étalée est coagulée dans un liquide de coagulation qui est un non- only when the spread dough is coagulated in a coagulation liquid which is a non
solvant pour la pâte à des températures plus basses. on obtient une électrode de solvent for dough at lower temperatures. we get an electrode of
diffusion gazeuse de qualité bien supérieure et une structure de porosité anisotrope. gas diffusion of much higher quality and an anisotropic porosity structure.
homogène en direction latérale.homogeneous in lateral direction.
Les températures du bain de coagulation appropriées peuvent être comprises entre l'ambiante et -30 C. Lorsque le liquide comprend le mélange d'eau et d'un alcool, des températures inférieures à 0 C et supérieures à -20 C sont utilisées de préférence. Lorsque le liquide de coagulation est de l'eau, des températures The appropriate coagulation bath temperatures can be between ambient and -30 C. When the liquid comprises the mixture of water and an alcohol, temperatures below 0 C and above -20 C are preferably used . When the coagulation liquid is water, temperatures
S comprises entre 25 C et 4 C sont utilisées de préférence. S between 25 C and 4 C are preferably used.
Des liquides de coagulation appropriés, qui sont des non-solvants pour la pâte étalée sont des solutions aqueuses à partir d'un mélange d'eau et d'un alcool et/ou de Suitable coagulation liquids, which are non-solvents for the spread paste, are aqueous solutions from a mixture of water and an alcohol and / or
l'eau avec un sel inorganique en des rapports de volume compris entre 99:1 et 1:99. water with an inorganic salt in volume ratios between 99: 1 and 1:99.
De préférence, l'eau est utilisée comme liquide de coagulation. Lorsque le liquide de coagulation est un mélange, on préfère un mélange d'eau et alcool ou d'eau et sel en un rapport en volume compris entre 90:10 et 10:90. Des alcools appropriés comprennent l'éthanol, l'isopropanol et le méthanol. Les sels appropriés comprennent Preferably, water is used as the coagulation liquid. When the coagulation liquid is a mixture, a mixture of water and alcohol or water and salt is preferred in a volume ratio of between 90:10 and 10:90. Suitable alcohols include ethanol, isopropanol and methanol. Suitable salts include
le LiCI, le LiNO3 et le NaNO3.LiCI, LiNO3 and NaNO3.
Comme indiqué ci-dessus, un polymère thermoplastique approprié dans la couche catalytique est choisi parmi le groupe composé de polyéthersulfone, poly(fluorure de vinylidène) et polysulfone sulfoné. Des polymères thermoplastiques également appropriés pour la couche catalytique sont les polyéthersulfones sulfonés As indicated above, a suitable thermoplastic polymer in the catalytic layer is chosen from the group consisting of polyethersulfone, poly (vinylidene fluoride) and sulfonated polysulfone. Thermoplastic polymers also suitable for the catalytic layer are the sulfonated polyethersulfones.
et les poly(phénylène oxyde) sulfonés. and sulfonated poly (phenylene oxide).
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à Of course, the present invention is not limited to the embodiments described and shown, but it is susceptible of numerous variants accessible to
l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. a person skilled in the art without departing from the spirit of the invention.
Exemple 1Example 1
Des électrodes de diffusion gazeuse ont été fabriquées en utilisant un noir de carbone à surface active (DP-5,200) élevée (200 m2) (commercialisé sous le nom de Vulcan VC-72R de Cabot, Inc.) et un polyéthersulfone à l'aide de la technique d'inversion de phase par voie humide. Le noir de carbone est dispersé dans une solution à 12-15 % en poids de polyéthersulfone et N.N'-diméthylformamide pour Gas diffusion electrodes were fabricated using high surface active carbon black (DP-5,200) (200 m2) (marketed as Vulcan VC-72R from Cabot, Inc.) and polyethersulfone using of the wet phase inversion technique. The carbon black is dispersed in a 12-15% by weight solution of polyethersulfone and N.N'-dimethylformamide for
former une suspension.form a suspension.
La suspension est soigneusement mélangée pendant 10 minutes en utilisant un sonicateur, et on obtient une pâte. En utilisant une racle, la pâte est étalée sur un substrat de tissu de carbone hydrophobe d'une épaisseur de 0,015 pouces (0,381 mm)(commercialisé sous le nom de Panex PWB-3 de Zoltek) jusqu'à obtenir une couche de film d'une épaisseur de 50 g.m sur le substrat. Une attention particulière est apportée à ce que la pâte pénètre le tissu au moins partiellement. Ce film est alors immergé dans un bain d'eau déminéralisée afin de coaguler le film. Le film coagulé est rincé abondamment à l'eau déminéralisée et placé dans une boîte sèche pour sécher pendant au moins 24 heures. Le film séché constitue la couche de diffusion gazeuse d'une électrode de diffusion gazeuse et présente en surface des pores de I(6 petite taille (voir microphotographie SEM). Ensuite. cette couche de diffutsion gazeuse de l'électrode est chauffé à 250 C pendant 1 h. Une "encre" d'une suspension aqueuse pour la couche de catalyseur est fabriquée comme suit: 0,06 g de fluorure de polyvinylidène (PFV2) est suspendu dans 4 g de 2-propanol et 6 g d'eau à l'aide d'un sonicateur. Puis, 0,05 g d'un tensioactif non ionique (Triton - X-100) et 0,3 g de 20 % en poids de Pt sur du noir de carbone Vulcan VX-72 sont ajoutés à la solution colloïdale de PFV2. Le mélange est mélangé encore une fois par un ultrasonicateur afin de former la suspension "encre" finale. Puis, un pulvérisateur d'art est utilisé pour peindre l'encre" de manière régulière sur la surface de l'électrode de diffusion gazeuse. L'étape de peinture consiste à appliquer 7,0 g de la suspension d"encre" à 88 cm2 de la couche de diffusion gazeuse. l'électrode obtenue a une charge en platine de 0,35 mg/cm2 The suspension is thoroughly mixed for 10 minutes using a sonicator, and a paste is obtained. Using a doctor blade, the paste is spread on a hydrophobic carbon fabric substrate with a thickness of 0.015 inches (0.381 mm) (marketed under the name of Panex PWB-3 from Zoltek) until a layer of film is obtained. '' a thickness of 50 gm on the substrate. Particular attention is paid to the fact that the dough penetrates the fabric at least partially. This film is then immersed in a bath of demineralized water in order to coagulate the film. The coagulated film is rinsed thoroughly with deionized water and placed in a dry box to dry for at least 24 hours. The dried film constitutes the gas diffusion layer of a gas diffusion electrode and has pores of I (6 small size (see SEM photomicrograph) on the surface. This gas diffusion layer of the electrode is then heated to 250 ° C. for 1 h. An "ink" of an aqueous suspension for the catalyst layer is produced as follows: 0.06 g of polyvinylidene fluoride (PFV2) is suspended in 4 g of 2-propanol and 6 g of water using a sonicator. Then 0.05 g of a nonionic surfactant (Triton - X-100) and 0.3 g of 20% by weight of Pt on carbon black Vulcan VX-72 are added to the colloidal solution of PFV2. The mixture is mixed again by an ultrasonic device in order to form the final "ink" suspension. Then, an art sprayer is used to paint the ink "evenly on the surface of the gas diffusion electrode. The painting step involves applying 7.0 g of the ink suspension at 88 c m2 of the gas diffusion layer. the electrode obtained has a platinum charge of 0.35 mg / cm2
avec une couche catalytique d'une épaisseur de 20 glm, comme le montre la figure 2. with a catalytic layer with a thickness of 20 glm, as shown in Figure 2.
La taille des particules de platine est dans la gamme de 20 A à 40 A. L'électrode est alors chauffée à 300 C pendant au moins 2 h. L'électrode de diffusion gazeuse fabriquée de cette façon est évaluée dans une cellule électrochimique H2/O2. Le coté catalyseur de l'électrode est brossé avec une solution à 0,5 % en poids de Nafion 117 protoné et pressé à chaud contre une membrane Nafion 112 ou Nafion 117. A cellule ouverte, on mesure une tension de 1 V. La figure 3 montre la courbe de la polarisation d'une cellule électrochimique en utilisant une électrode de diffusion gazeuse fabriquée selon l'exemple 1 et une membrane Nafion 112 à différentes pressions des réactifs. A 0,5 V, une densité de courant de I A/cm2 peut être obtenu, mettant en évidence la bonne performance de The size of the platinum particles is in the range of 20 A to 40 A. The electrode is then heated to 300 C for at least 2 h. The gas diffusion electrode manufactured in this way is evaluated in an H2 / O2 electrochemical cell. The catalyst side of the electrode is brushed with a 0.5% by weight solution of protonated Nafion 117 and hot pressed against a Nafion 112 or Nafion 117 membrane. With an open cell, a voltage of 1 V is measured. The figure 3 shows the curve of the polarization of an electrochemical cell using a gas diffusion electrode manufactured according to example 1 and a Nafion 112 membrane at different pressures of the reagents. At 0.5 V, a current density of I A / cm2 can be obtained, highlighting the good performance of
cette électrode.this electrode.
Exemple 2 Le procédé de l'exemple 1 est répété, sauf que la couche de diffusion gazeuse Example 2 The process of Example 1 is repeated, except that the gas diffusion layer
est fabriquée par inversion de phase par voie sèche. is produced by dry phase inversion.
Le polyéthersulfone et le carbone noir d'acétylène C- 100 sont dissous dans du DMF pour former une pâte. La pâte est étalée sur un substrat de tissu de carbone puis séché à l'air, laissant le solvant s'évaporer complètement et formant une couche étalée de film. Le film est ensuite pressé entre deux rouleaux à température ambiante pour conduire à la couche de diffusion gazeuse. Une cellule électrochimique fabriquée avec cette électrode et une membrane Nafion 112 a un voltage à cellule The polyethersulfone and the acetylene black carbon C-100 are dissolved in DMF to form a paste. The paste is spread on a carbon fabric substrate and then air dried, allowing the solvent to completely evaporate and forming a spread layer of film. The film is then pressed between two rollers at room temperature to lead to the gas diffusion layer. An electrochemical cell made with this electrode and a Nafion 112 membrane has a cell voltage
ouverte de 1,0 V et à 0,5 V, la densité de courant est de 800 mA/cm2. open at 1.0 V and at 0.5 V, the current density is 800 mA / cm2.
Exemple 3 Le procédé de l'exemple 1 est répété, sauf que pour la fabrication de la couche de diffusion gazeuse. un mélange d'eau et de DMF est utilisé comme solvant de coagulation. Du polyéthersulfone sulfoné est utilisé à la place du PVF2 en tant que polymère dans l'encre" de suspension de la couche de catalyseur; une cellule électrochimique fabriquée en utilisant cette électrode et une membrane Nafion 112 a une utilisation de catalyseur au platine plus élevé de 35 %. A 0,5 V, une densité de Example 3 The process of Example 1 is repeated, except that for the manufacture of the gas diffusion layer. a mixture of water and DMF is used as a coagulation solvent. Sulfonated polyethersulfone is used in place of PVF2 as the polymer in the catalyst layer suspension ink; an electrochemical cell made using this electrode and a Nafion 112 membrane has a higher platinum catalyst use than 35% At 0.5 V, a density of
courant de 2 A/cm2 est mesuré pour la cellule électrochimique. current of 2 A / cm2 is measured for the electrochemical cell.
Exemple 4 0,5 g de platine sur charbon de bois activé (10 % en poids de platine, Fluka Chemical, Inc.) est suspendu dans 1,6 g de DMF et mélangé à 1,6 g d'une solution de PESF à 15 % en poids dans du DMF à l'aide d'un sonicateur. Cette suspension est ensuite étalée sur un substrat de toile de carbone en utilisant une racle pour former une couche de film. Le film est submergé dans un bain d'eau déminéralisé pendant secondes pour coaguler. Le film coagulé est retiré du bain, rincé abondamment et placé pendant 24 h dans une boîte sèche pour sécher. La charge en platine de la couche catalytique est de 0,5 mg/cm2. L'épaisseur de l'électrode de diffusion gazeuse formée est de 150 glm. La cellule électrochimique fabriquée en utilisant cette électrode de diffusion gazeuse et une membrane Nafion 117 à résistance de surface ("over resistance") de 0,69 f2/cm2 et une pente Tafel de 110 mV/décade. La densité Example 4 0.5 g of platinum on activated charcoal (10% by weight of platinum, Fluka Chemical, Inc.) is suspended in 1.6 g of DMF and mixed with 1.6 g of a PESF solution at 15% by weight in DMF using a sonicator. This suspension is then spread on a carbon canvas substrate using a doctor blade to form a film layer. The film is submerged in a demineralized water bath for seconds to coagulate. The coagulated film is removed from the bath, rinsed thoroughly and placed for 24 h in a dry box to dry. The platinum charge of the catalytic layer is 0.5 mg / cm2. The thickness of the gas diffusion electrode formed is 150 μm. The electrochemical cell manufactured using this gas diffusion electrode and a Nafion 117 membrane with surface resistance ("over resistance") of 0.69 f2 / cm2 and a Tafel slope of 110 mV / decade. The density
de courant maximale est de 800 mA/cm2. maximum current is 800 mA / cm2.
Exemple 5Example 5
Le procédé de l'exemple 4 est répété, à l'exception de l'addition d'un noir de The process of Example 4 is repeated, except for the addition of a black of
carbone fortement hydrophobe à faible surface active de 60 m2/g (gamme de 5- highly hydrophobic carbon with low active surface of 60 m2 / g (range of 5-
%), de noir d'acétylène C-100 (Chevron Chemical Co.). La concentration de %), acetylene black C-100 (Chevron Chemical Co.). The concentration of
platine en surface dans la couche de catalyseur dans cet exemple est de 0,1 mg/cm2. platinum surface in the catalyst layer in this example is 0.1 mg / cm2.
Lorsque la quantité du deuxième carbone est augmenté de 0 à 10 %, la densité de When the amount of the second carbon is increased from 0 to 10%, the density of
courant maximale augmente de 800 A/cm2 à I A/cm2. maximum current increases from 800 A / cm2 to I A / cm2.
Exemple 6 Le procédé de l'exemple 4 est répété, sauf que du poly(vinypyrrolidone) PVP est utilisé comme filtre de pore afin de contrôler la porosité de la couche de diffusion gazeuse et obtenir une structure à pores ouverts. Le PVP est mélangé à la solution de polymère avant de étaler la couche de diffusion gazeuse. Le PVP est ensuite éliminé en rinçant l'électrode avec de l'eau pendant trois jours. La tension de cellule globale d'une cellule électrochimique fabriquée avec cette électrode de diffusion gazeuse et Example 6 The process of Example 4 is repeated, except that poly (vinypyrrolidone) PVP is used as a pore filter in order to control the porosity of the gas diffusion layer and obtain an open pore structure. The PVP is mixed with the polymer solution before spreading the gas diffusion layer. The PVP is then removed by rinsing the electrode with water for three days. The overall cell voltage of an electrochemical cell manufactured with this gas diffusion electrode and
une membrane Nafion 117 augmente de 200 mV environ. a Nafion 117 membrane increases by around 200 mV.
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