DE19647534A1 - Electrode for an electrochemical energy converter - Google Patents
Electrode for an electrochemical energy converterInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Elektroden für elektrochemische Energiewandler, insbe sondere mit flüssigen und fixiertem Elektrolyten. Die Erfindung kommt vor allem in solchen Energiewandlern zum Einsatz, die Gase erzeugen (Elektrolyse) oder verzehren (Brennstoffzelle, Gassensor).The invention relates to electrodes for electrochemical energy converters, in particular especially with liquid and fixed electrolytes. The invention comes first used in energy converters that generate gases (electrolysis) or consume (fuel cell, gas sensor).
Elektrochemische Energiewandler mit festem, flüssigem oder fixiertem, z. B. alka lischem Elektrolyten sind an sich bekannt. Ein Elektrolyseur mit flüssigem, fixier tem Elektrolyten ist z. B. in Davenport et al. Space water electrolysis: space station through advanced missions in: Journal of Power Sources, 36 (1991) 235-249 be schrieben. Der Elektrolyt ist in einer porösen Matrix (auch Diaphragma genannt) und in den direkt benachbart zur Matrix angeordneten porösen, mit Katalysator beschichteten Elektroden fixiert. Die Elektrolysegasentwicklung findet vorwie gend innerhalb der mit Elektrolyt gefüllten Poren statt. Die Fixierung des Elektro lyten unter Elektrolysebetrieb wird üblicherweise durch Kapillarkräfte erreicht. Die hydrophilen Eigenschaften der Elektrolytmatrix werden ausgebildet, indem der Elektrolyt vorzugsweise in der Matrix fixiert wird und nicht von den Elektroden abgesaugt wird.Electrochemical energy converter with solid, liquid or fixed, e.g. B. alka electrolyte are known per se. An electrolyzer with liquid, fixier electrolyte is z. B. Davenport et al. Space water electrolysis: space station through advanced missions in: Journal of Power Sources, 36 (1991) 235-249 be wrote. The electrolyte is in a porous matrix (also called a diaphragm) and in the porous catalyst catalyst located directly adjacent to the matrix coated electrodes fixed. The electrolysis gas development takes place as before in the pores filled with electrolyte. The fixation of the electro lyte under electrolysis is usually achieved by capillary forces. The hydrophilic properties of the electrolyte matrix are formed by the electrolyte is preferably fixed in the matrix and not by the electrodes is suctioned off.
Die Elektroden umfassen ein poröses Trägermaterial sowie eine darauf ange ordnete aktive Schicht, im folgenden auch als Katalysator oder Elektrokatalysa tor bezeichnet. Als Katalysatoren für die Wasserstoffabscheidung wurden bisher Edelmetalle, Nickel und seine Legierungen, amorphe Metalle, sintermetallische Legierungen mit Lanthan und Nickel und Nickelverbindungen u. a. eingesetzt. Nickel zeigt dabei die unangenehme Eigenschaft des Alterns unter Bildung β-Hydriden. Für die anodische Sauerstoffabscheidung wurden Edelmetalle, Nickel und seine Legierungen, amorphe Legierungen, Spinelle, Perowskit, Metalloxide, Graphit u. a. eingesetzt. Die meisten Katalysatoren weisen keine ausreichende Langzeitstabilität auf. Viele, darunter RANEY-Nickel, haben eine relativ hohe Überspannung.The electrodes comprise a porous carrier material and one attached to it ordered active layer, hereinafter also as a catalyst or electrocatalyst called gate. So far, have been used as catalysts for hydrogen separation Precious metals, nickel and its alloys, amorphous metals, sintered metals Alloys with lanthanum and nickel and nickel compounds u. a. used. Nickel shows the unpleasant property of aging with formation β-hydrides. For anodic oxygen separation, precious metals, Nickel and its alloys, amorphous alloys, spinels, perovskite, Metal oxides, graphite and. a. used. Most catalysts have none sufficient long-term stability. Many, including RANEY nickel, have one relatively high overvoltage.
Die an die Elektroden angrenzenden, mit Abstandshaltern erzeugten Produkt gaskammern sind mit den Produktgasen gefüllt (bei der Wasserelektrolyse: Sauerstoff benachbart zur Anode, Wasserstoff benachbart zur Kathode) und ent halten keinen Elektrolyten. Die Phasentrennung zwischen den Produktgasen und den fixierten flüssigen Elektrolyten findet innerhalb der porösen Elektroden statt. Die Funktionsweise ermöglicht die Elektrolyse ohne Gas-Separatoren.The product adjacent to the electrodes, produced with spacers gas chambers are filled with the product gases (for water electrolysis: Oxygen adjacent to the anode, hydrogen adjacent to the cathode) and ent don't hold electrolyte. The phase separation between the product gases and the fixed liquid electrolyte takes place within the porous electrodes instead of. The way it works enables electrolysis without gas separators.
Aufgrund des beschriebenen Aufbaus grenzt jede der beiden Elektroden auf einer Seite an den Elektrolyten und auf der anderen Seite an eines der Produkt gase. Man spricht deshalb von gasseitigen und elektrolytseitigen Bereichen einer Elektrode.Because of the structure described, each of the two electrodes delimits one side to the electrolyte and the other side to one of the products gases. One therefore speaks of gas-side and electrolyte-side areas an electrode.
Benachbart zu der kathodenseitigen Produktgaskammer, und von dieser durch eine Membran getrennt, findet sich die Eduktkammer mit Wasser oder einer wäßrigen Lösung. Die Zuführung des Edukts zu den Elektroden erfolgt durch Gasdiffusion. Der Wasserdampf diffundiert über die Membrane durch die Katho denkammer (H2-Raum) zur Kathode aufgrund des Wasserdampfpartialdruckge fälles zwischen Eduktkammer und elektrolytgefüllter poröser Kathode. Das elek trochemisch verbrauchte Wasser kann über einen Kreislauf, der gleichzeitig zur Kühlung und zur Wasserzufuhr dient, ersetzt werden.Adjacent to the product gas chamber on the cathode side and separated from it by a membrane, the starting material chamber is found with water or an aqueous solution. The educt is fed to the electrodes by gas diffusion. The water vapor diffuses across the membrane through the cathode chamber (H 2 space) to the cathode due to the water vapor partial pressure drop between the educt chamber and the electrolyte-filled porous cathode. The electrochemically consumed water can be replaced by a circuit that serves both for cooling and for water supply.
Bei elektrochemischen Energiewandlern, z. B. mit flüssigen und fixierten Elektro lyten, bestimmt die Porenstruktur der Elektrode wesentlich die zur Verfügung ste hende aktive Fläche und beeinflußt den Abtransport der Produktgase (Elektroly se) bzw. die Zuführung der Reaktionsgase (Brennstoffzelle), die elektrische Leit fähigkeit der Elektrode und die mechanische Stabilität.In electrochemical energy converters, e.g. B. with liquid and fixed electrical lyten, the pore structure of the electrode essentially determines the available active surface and influences the removal of the product gases (electroly se) or the supply of the reaction gases (fuel cell), the electrical guide ability of the electrode and mechanical stability.
Mit abnehmendem Porendurchmesser steigt nach unseren Beobachtungen die aktive Fläche und somit der Wirkungsgrad des Elektrodenprozesses. Jedoch ist mit abnehmendem Porendurchmesser eine Verschlechterung des Gastran sports im Elektrolysebetrieb festzustellen, während durch Kapillarkräfte die Fi xierung des Elektrolyten im Porensystem der Elektrode zunimmt. Bei einem zu großen Porendurchmesser besteht die Gefahr des Elektrolytverlusts.According to our observations, the pore diameter increases active area and thus the efficiency of the electrode process. However is with decreasing pore diameter, the gas flow deteriorates sports in electrolysis operation, while the fi xation of the electrolyte in the pore system of the electrode increases. With one too large pore diameter there is a risk of electrolyte loss.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Elektrode zu schaffen,
The object of the invention is therefore to create an electrode
- - mit der ein möglichst großes Elektrolytvolumen gespeichert werden kann, wobei ein Elektrolytverlust vermieden werden soll,- with which the largest possible volume of electrolyte can be stored, avoiding loss of electrolyte,
- - und gleichzeitig einen möglichst guter Edukt- und Produktgastransport ge währleistet werden kann.- and at the same time the best possible educt and product gas transport can be guaranteed.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. This object is achieved with the subject matter of claim 1. Beneficial Embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Die Elektrode umfaßt einen elektrisch leitfähigen Träger und eine ein- oder beid seitig aufgebrachte Aktivschicht, die nachfolgend auch als Katalysator bezeich net wird. Erfindungsgemäß weist der poröse Träger der Elektrode mindestens zwei Porentypen unterschiedlicher Größe auf, wobei die Porentypen derart in nerhalb des Trägers verteilt sind, daß elektrolytseitig beginnend und in Richtung auf die Gasseite fortschreitend, der mittlere Porendurchmesser ansteigt. Die klei neren Poren, die verstärkt elektrolytseitig vorhanden sind, dienen dazu, ein mög lichst großes Elektrolytvolumen zu speichern (fixieren). Die größeren Poren, die verstärkt gasseitig vorhanden sind, dienen dazu, einen möglichst guten Edukt- und Produktgastransport zu gewährleisten.The electrode comprises an electrically conductive carrier and one or both active layer applied on the side, which is also referred to below as catalyst is not. According to the invention, the porous support of the electrode has at least two pore types of different sizes, the pore types being in are distributed within the carrier that beginning on the electrolyte side and in the direction progressing to the gas side, the average pore diameter increases. The little ones nere pores, which are increasingly present on the electrolyte side, serve to avoid to store (fix) the largest possible volume of electrolyte. The larger pores that are increasingly present on the gas side, serve to ensure the best possible starting material and to ensure product gas transport.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Elektrolyt, der teilweise an den kleineren Poren des elektrolytseitigen Bereichs der Elektrode herausge schoben wird, durch die Kapillarwirkung der kleineren Poren des elektrolytabge wandten Bereichs aufgesogen und in das mikroporöse Porensystem des elek trolytseitigen Bereichs zu rückgeleitet wird.The invention is based on the knowledge that the electrolyte is partially present the smaller pores of the electrolyte-side area of the electrode is pushed by the capillary action of the smaller pores of the electrolyte applied area and into the microporous pore system of the elek trolyte-side area is returned to.
Mit der erfindungsgemäßen Elektrode wird eine optimale Abstimmung der ge gensätzlichen Anforderungen an die aktive Fläche des Elektrodenprozesses einerseits und den Gasabtransport andererseits erhalten.With the electrode according to the invention, an optimal coordination of the ge additional requirements for the active surface of the electrode process on the one hand and gas removal on the other hand.
Des weiteren wird durch die Erfindung erreicht, daß ohne Einschränkung des Wirkungsgrads ein Elektrolytverlust mit hoher Sicherheit ausgeschlossen wer den kann.Furthermore, it is achieved by the invention that without limitation of the Efficiency an electrolyte loss with high security excluded that can.
Der erfindungsgemäße poröse Träger kann zum Beispiel aus einer einzelnen Schicht bestehen, die mindestens zwei Porentypen unterschiedlicher Größe auf weist. Darüber hinaus kann eine der poröse Träger auch aus mehreren Schich ten aufgebaut sein, wobei jede Schicht mehrere Porentypen unterschiedlicher Größe aufweist.The porous support according to the invention can for example consist of a single one Layer consist of at least two pore types of different sizes points. In addition, one of the porous supports can also consist of several layers ten, with each layer having several different pore types Has size.
Der poröse Träger kann bevorzugt ein Metall (wie Nickel, Titan oder Stahl) oder Graphit sein, wobei bevorzugt Filze, Schäume, Gewebe eingesetzt werden.The porous support may preferably be a metal (such as nickel, titanium or steel) or Be graphite, preferably felts, foams, fabrics are used.
Als Aktivschicht wird bevorzugt ein Metalloxid, Metalloxidhydrat, Metallhydroxi den oder Mischungen daraus der Elemente Iridium, Ruthenium, Palladium Pla tin, Osmium, Rhodium, Tantal, Zinn, Zink verwendet. Besonders geeignet sind die elektronenleitenden Metalloxide der Gruppe VIII des Periodensystems. Iridi umdioxid hat sich nach unseren Messungen als besonders langzeitstabil erwie sen.A metal oxide, metal oxide hydrate, metal hydroxide is preferred as the active layer the or mixtures thereof of the elements iridium, ruthenium, palladium Pla tin, osmium, rhodium, tantalum, tin, zinc are used. Are particularly suitable the electron-conducting metal oxides of group VIII of the periodic table. Iridi According to our measurements, dioxide has proven to be particularly stable over the long term sen.
Die erwähnten Katalysatoren weisen folgende Eigenschaften auf:
The catalysts mentioned have the following properties:
- - hohe elektrochemische Aktivität bei hoher spezifischer Oberfläche und geringem Widerstand,- High electrochemical activity with a high specific surface and low resistance,
- - geringe Wasserstoff- und Sauerstoffüberspannung,- low hydrogen and oxygen overvoltage,
- - Langzeitstabilität bei hohen Strömen.- Long-term stability at high currents.
Sie sind den bekannten Katalysatoren insbesondere im Bezug auf Alterung und Langzeitbeständigkeit überlegen. Die in der Beschreibungseinleitung angege benen Probleme der bekannten Katalysatoren treten nicht auf.They are the known catalysts, particularly with regard to aging and Superior long-term durability. The specified in the introduction to the description Problems of the known catalysts do not occur.
Das Aufbringen der elektroaktiven Schicht auf die Trägerstruktur kann vorteilhaft nach den folgenden Verfahren erfolgen: Applying the electroactive layer to the support structure can be advantageous follow the procedure below:
Die Aktivschicht entsteht durch thermische Zersetzung von Iridiumsalzen wie Hexachloroiridiumsäure auf dem Elektrodenträger. Die Aufbringung der Vorstu fe kann durch Tauchen, Streichen, Pinseln oder ein Druckverfahren erfolgen. Die Umwandlung zum Oxid erfolgt bei ca. 200-500°C, bevorzugt bei 400°C. Der Be schichtungsvorgang wird mehrfach wiederholt. Dem Iridiumsalz können andere Bestandteile zugegeben werden, z. B. Ruthenium-, Tantal, Zinnverbindungen, um spezifische Eigenschaften der Aktivschicht auszubilden.The active layer is created by thermal decomposition of iridium salts such as Hexachloroiridium acid on the electrode carrier. The application of the advance fe can be done by dipping, brushing, brushing or a printing process. The Conversion to oxide takes place at approx. 200-500 ° C, preferably at 400 ° C. The Be Layering process is repeated several times. Others can use the iridium salt Components are added, e.g. B. ruthenium, tantalum, tin compounds, to develop specific properties of the active layer.
Aus Metallsalzvorstufen (z. B. Hexachloroiridiumsäure, Rutheniumtrichlorid)
wird
Metal salt precursors (e.g. hexachloroiridium acid, ruthenium trichloride) become
- - durch Ausfällen mit Lauge in einem Sol-Gel-Prozeß oder- by precipitation with lye in a sol-gel process or
- - durch thermische Zersetzung in einem Tiegel- by thermal decomposition in a crucible
das Metalloxid hergestellt und in einem zweiten Schritt auf die Trägerstruktur auf gebracht.the metal oxide is produced and applied to the support structure in a second step brought.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist für den bifunktionalen Betrieb geeignet, das heißt für den abwechselnden Elektrolyse- und/oder Brennstoffzellenbetrieb.The electrode according to the invention is suitable for bifunctional operation means for alternating electrolysis and / or fuel cell operation.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann für elektrochemische Energiewandler allgemein eingesetzt werden oder speziell für sauerstofferzeugende Lebenser haltungssysteme, wasserstofferzeugende Subsystem zur Abgasnachbehand lung, als energieerzeugende Brennstoffzelle, als kompakter Elektrolyseur in der Energiewirtschaft.The electrode according to the invention can be used for electrochemical energy converters are generally used or especially for oxygen-producing people housing systems, hydrogen-producing subsystem for exhaust gas aftertreatment as an energy-producing fuel cell, as a compact electrolyser in the Energy industry.
Die Erfindung wird anhand von Fig. mit Bezug auf konkrete Ausführungsbei spiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to FIG. With reference to specific games Ausführungsbei. Show it:
Fig. 1 einen elektrochemischen Energiewandler mit zwei erfindungsgemä ßen Elektroden in schematischer Darstellung, Fig. 1 an electrochemical energy converter according to the invention with two electrodes SEN in a schematic representation;
Fig. 2 bimodale Porenverteilung einer Wasserstoffelektrode (integriert über alle Elektrodenschichten), Fig. 2 bimodal pore distribution of a hydrogen electrode (integrated over all of the electrode layers),
Fig. 3 bimodale Porenverteilung einer Sauerstoffelektrode (integriert über alle Elektrodenschichten), Fig. 3 bimodal pore distribution of an oxygen electrode (integrated over all of the electrode layers),
Fig. 4 Strom-Spannungskennlinien beschichteter und unbeschichteter Elektroden (Abszisse: Stromdichte mA/cm2, Ordinate: Zellspan nung/V), FIG. 4 shows current-voltage characteristics of coated and uncoated electrodes (abscissa: Current density mA / cm 2, Ordinate: cell clamping voltage / V),
Fig. 5 Standzeitverhalten beschichteter und unbeschichteter Elektroden bei 200 mA/cm2 und 70°C über 11.000 Stunden (Abszisse: Zeit/h, Ordinate: Zellspannung/mV). Fig. 5 Service life behavior of coated and uncoated electrodes at 200 mA / cm 2 and 70 ° C for 11,000 hours (abscissa: time / h, ordinate: cell voltage / mV).
Fig. 1 zeigt einen elektrochemischen Energiewandler, der zwei bevorzugte Aus führungsformen der erfindungsgemäßen Elektrode als Kathode 2 und Anode 4 sowie einem dazwischen angeordneten Elektrolyten 8 umfaßt. Fig. 1 shows an electrochemical energy converter which comprises two preferred embodiments of the electrode according to the invention as cathode 2 and anode 4 and an electrolyte 8 arranged therebetween.
Die beiden Elektroden 2, 4 umfassen jeweils drei Schichten:
The two electrodes 2 , 4 each comprise three layers:
- a) eine gasseitige Trägerschicht 2.1, 4.1 mit bimodaler Porenradienverteilung, das heißt zwei bevorzugte Porenradien; die Mehrzahl der größeren Poren liegt zur Gasseite hin, und die Mehrzahl der kleineren Poren liegt zum Elek trolyten hin;a) a gas-side carrier layer 2.1 , 4.1 with a bimodal pore radius distribution, that is to say two preferred pore radii; the majority of the larger pores face the gas side and the majority of the smaller pores face the electrolyte;
- b) eine elektrolytseitige Trägerschicht 2.2, 4.2 mit bimodaler Porenradienvertei lung, wobei die Mehrzahl der kleineren Poren zur Elektrolytseite hin liegen, und die Mehrzahl der größeren Poren zur Gasseite hin liegen,b) an electrolyte-side carrier layer 2.2 , 4.2 with bimodal pore radius distribution, the majority of the smaller pores lying on the electrolyte side and the majority of the larger pores lying on the gas side,
- c) eine Aktivschicht 2.3, 4.3 aus Iridiumdioxid.c) an active layer 2.3 , 4.3 made of iridium dioxide.
Wie man aus der Fig. 1 erkennen kann, sind die größeren Poren der elektrolytsei tigen Schicht 2.2 bzw. 4.2 kleiner als die größeren Poren der gasseitigen Schicht 2.1 bzw. 4.1. Ebenso sind die kleineren Poren der elektrolytseitigen Schicht 2.2 bzw. 4.2 kleiner als die kleineren Poren der gasseitigen Schicht 2.1 bzw. 4.1.As can be seen from Fig. 1, the larger pores of the electrolytic layer 2.2 or 4.2 are smaller than the larger pores of the gas-side layer 2.1 or 4.1 . Likewise, the smaller pores of the electrolyte-side layer 2.2 or 4.2 are smaller than the smaller pores of the gas-side layer 2.1 or 4.1 .
In dem Diagramm im unteren Teil der Fig. 1 sind die prinzipiellen Porenradien verteilungen der beiden bimodalen Kathodenschichten 2.1, 2.2 beispielhaft auf getragen (Abszisse: Porenradius, Ordinate: Anteil am Gesamtporenvolumen). Man erkennt, daß in jeder Schicht 2.1, 2.2 zwei bevorzugte Porenradien vorhan den sind (zwei relative Maxima). In der Elektrodenschicht 2.2, die elektrolytseitig angeordnet wird, überwiegt der Anteil der kleineren Poren gegenüber den größ eren Poren. Komplementär dazu ist die elektrolytabgewandte Schicht 2.1 ge staltet.In the diagram in the lower part of FIG. 1, the basic pore radius distributions of the two bimodal cathode layers 2.1 , 2.2 are shown as examples (abscissa: pore radius, ordinate: share of total pore volume). It can be seen that in each layer 2.1 , 2.2 there are two preferred pore radii (two relative maxima). In the electrode layer 2.2 , which is arranged on the electrolyte side, the proportion of the smaller pores outweighs the larger pores. Complementary to this is the layer 2.1 facing away from the electrolyte.
Die größeren Poren in jeder Schicht dienen dem unbehinderten Gastransport, die kleineren Poren der Fixierung des Elektrolyten.The larger pores in each layer serve the unimpeded gas transport, the smaller pores of electrolyte fixation.
Die Schichten 2.1, 4.1 dienen hauptsächlich dem Gasan- bzw. -abtransport, wo bei die kleinere Poren ein Austragen des Elektrolyten verhindern.The layers 2.1 , 4.1 are mainly used for gas transport or gas transport, where the smaller pores prevent the electrolyte from being discharged.
Die Schichten 2.2, 4.2 dienen hauptsächlich der Fixierung des Elektrolyten, wo bei die größeren Poren der Zu- und Austritt von Edukt- und Produktgasen erlau ben.The layers 2.2 , 4.2 serve mainly to fix the electrolyte, where the larger pores allow the entry and exit of educt and product gases.
An den elektrolytseitigen Aktivschichten 2.3, 4.3, die partiell in die Schichten 2.2 bzw. 4.2 eindringen können, läuft die elektrochemische Reaktion ab.The electrochemical reaction takes place at the electrolyte-side active layers 2.3 , 4.3 , which can partially penetrate into layers 2.2 or 4.2 .
Ohne den genannten erfindungsgemäßen Schichtaufbau der Elektrode wird entweder Elektrolyt ausgetragen oder der Gastransport wird empfindlich behin dert. Without the above-mentioned layer structure of the electrode either electrolyte is discharged or gas transport becomes sensitive different.
Bei einer Elektrolyseelektrode werden für die Sauerstoffelektrode größere Poren eingesetzt als bei der Wasserstoffelektrode, weil Sauerstoffblasen größer als Wasserstoffblasen sind und die Größe der Sauerstoffblasen zudem mit steigen der Stromdichte zunimmt. Wie man aus der Fig. 1 erkennen kann, sind deshalb die Poren der Anode größer als die entsprechenden Poren der Kathode.With an electrolysis electrode, larger pores are used for the oxygen electrode than with the hydrogen electrode, because oxygen bubbles are larger than hydrogen bubbles and the size of the oxygen bubbles also increases with increasing current density. As can be seen from FIG. 1, the pores of the anode are therefore larger than the corresponding pores of the cathode.
Die Herstellung bimodaler Schichten, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, bei denen die beiden Porenarten zur Gasseite bzw. zur Elektrolytseite hin konzentriert sind, ist relativ aufwendig. Aus fertigungstechnischer Sicht kann es deshalb vorteilhaft sein, eine Schicht nach Fig. 1 durch mehrere dünnere Unterschichten zu erset zen, wobei innerhalb jeder Unterschicht die Porenarten gleichverteilt sind, je doch elektrolytseitig beginnend und in Richtung auf die Gasseite fortschreitend der mittlere Porendurchmesser der einzelnen Schichten von Schicht zu Schicht erhöht wird.The production of bimodal layers, as shown in FIG. 1, in which the two types of pores are concentrated on the gas side or on the electrolyte side, is relatively complex. From a production point of view, it can therefore be advantageous to replace a layer according to FIG. 1 with several thinner sublayers, the pore types being evenly distributed within each sublayer, but beginning with the electrolyte side and progressing towards the gas side, the average pore diameter of the individual layers of Layer to layer is increased.
Die Elektroden mit fixiertem alkalischem Elektrolyten umfassen genau zwei un terschiedliche Trägerschichten. Die Schichten werden beidseitig einer metalli schen Sperrschicht (z. B. Blech, Filz, Vlies, Schaum oder Gewebe) aufgebracht. Besonders vorteilhaft wird ein Nickelfilz oder Graphitfilz mit zwei Lagen unter schiedlicher Porosität und unterschiedlicher bimodaler Porenstruktur verwen det. In der Elektrodenschicht, die elektrolytseitig angeordnet wird, überwiegt der Anteil der kleineren Poren gegenüber den größeren Poren. Komplementär dazu ist die elektrolytabgewandte Seite gestaltet: Die Elektrolysegase werden zum größten Teil in der elektrolytseitigen Elektrodenschicht mit den kleineren Poren erzeugt und wandern zur elektrolytabgewandten Elektrodenschicht mit der größ eren, nicht mit Elektrolyt gefüllten Poren und weiter in die anliegenden Gas räume.The electrodes with fixed alkaline electrolyte comprise exactly two un different carrier layers. The layers become metallic on both sides barrier layer (e.g. sheet metal, felt, fleece, foam or fabric). A nickel felt or graphite felt with two layers underneath is particularly advantageous different porosity and different bimodal pore structure det. The predominates in the electrode layer, which is arranged on the electrolyte side Proportion of smaller pores compared to larger pores. Complementary to that the side facing away from the electrolyte is designed: The electrolysis gases become mostly in the electrolyte-side electrode layer with the smaller pores generates and migrates to the electrode layer facing away from the electrolyte with the size pores not filled with electrolyte and further into the adjacent gas rooms.
Die Porenradienverteilungen für die Wasserstoffelektrode und die Sauerstoff
elektrode sind unterschiedlich:
The pore radius distributions for the hydrogen electrode and the oxygen electrode are different:
- - Die Wasserstoffelektrode enthält überwiegend kleinere Poren mit Vertei lungsmaxima bei 3-5 µm elektrolytseitig und 20-50 µm gasseitig (Fig. 2).- The hydrogen electrode mainly contains smaller pores with distribution maxima at 3-5 µm on the electrolyte side and 20-50 µm on the gas side ( Fig. 2).
- - Die Sauerstoffelektrode enthält überwiegend größere Poren mit Verteilungs maxima bei 3-5 µm elektrolytseitig und 70-100 µm gasseitig (Fig. 3).- The oxygen electrode mainly contains larger pores with distribution maxima at 3-5 µm on the electrolyte side and 70-100 µm on the gas side ( Fig. 3).
Eine solche Elektrodenstruktur ist besonders günstig für die Wasserstoffelektro lyse, weil Sauerstoffblasen größer sind als Wasserstoffblasen. Sie kann vorteil haft, aber auch für Brennstoffzellenelektroden eingesetzt werden.Such an electrode structure is particularly favorable for the hydrogen electro lysis because oxygen bubbles are larger than hydrogen bubbles. It can be advantageous adhesive, but can also be used for fuel cell electrodes.
Auf einen Nickelfilz von 90-600 g/m2 werden einseitig gesiebte Fraktionen eines Nickelpulvers (z. B. INCO 123) aufgesintert, so daß eine makroporöse Elek trodenstruktur entsteht, die elektrolytseitig eingesetzt wird. Die Gasseite der Elektrode wird aus einem Nickelpulver gröberer Körnung (z. B. INCO 244) durch einen Sintervorgang erzeugt.On a nickel felt of 90-600 g / m 2 one-sided sieved fractions of a nickel powder (z. B. INCO 123) are sintered, so that a macroporous elec trode structure is formed, which is used on the electrolyte side. The gas side of the electrode is produced from a coarser grain nickel powder (e.g. INCO 244) by a sintering process.
Es können zusätzlich Porenbildner (z. B. 25% Fumarsäure oder Ammonium carbonat) eingesetzt werden. Die dadurch entstehende Porenstruktur wirkt sich günstig auf die Strom-Spannungs-Kurve der Sauerstoffelektrode aus.Pore formers (e.g. 25% fumaric acid or ammonium carbonate) can be used. The resulting pore structure works favorably on the current-voltage curve of the oxygen electrode.
Die spezifische Oberfläche der Trägerstruktur beträgt zwischen 20 und 60 m2/g, der mittlere Porendurchmesser zwischen 4 und 17 µm. Maxima der Porendurch messerverteilung liegen bei 5-7 µm und 15-20 µm. Daneben gibt es große Po ren von 95-125 µm Durchmesser. The specific surface of the support structure is between 20 and 60 m 2 / g, the average pore diameter between 4 and 17 µm. Maxima of the pore diameter distribution are 5-7 µm and 15-20 µm. There are also large pores with a diameter of 95-125 µm.
Besonders vorteilhaft hat sich folgendes Beschichtungsverfahren erwiesen:
The following coating process has proven to be particularly advantageous:
- - Nickelfilze werden in organischen Lösungsmitteln (wie Aceton) entfettet, in 20%iger Schwefelsäure geätzt, sorgfältig im Wasser gespült.- nickel felts are degreased in organic solvents (such as acetone), etched in 20% sulfuric acid, carefully rinsed in water.
-
- Eine Lösung von Hexachlororidiumsäure in Wasser/Isopropanol wird auf die
Nickelfilze durch Bestreichen, Tauchen oder Drucktechniken aufgebracht.
Die Beschichtungslösung kann Zusätze von Polyalkoholen und Cellulosee thern enthalten, wie sie in der Lackiertechnik zum Einsatz kommen.- A solution of hexachlororidic acid in water / isopropanol is applied to the nickel felts by brushing, dipping or printing techniques.
The coating solution can contain additives of polyalcohols and cellulose ethers, such as those used in painting technology. -
- Anschließend werden die Elektroden im Ofen unter Luftzutritt erhitzt.
Bei Verwendung vorstehender Lösung erfolgt die Kalzinierung bei ca. 325°C ca. 30 min. lang. Bei dieser Temperatur werden besonders leit fähige Schichten mit geringer Wasserstoff- und Sauerstoffüberspannung er halten. Das erhaltene Oxid ist kein stöchiometrisches IrO2, wie es früher in der Literatur beschrieben wurde, sondern ein Oxidhydrat, der ungefähren Zusammensetzung zwischen IrO(OH) und IrO2.2 H2O, wobei Iridium in der Oxidationsstufe III und IV vorliegt.- The electrodes are then heated in the oven with the entry of air.
When using the above solution, the calcination is carried out at approx. 325 ° C. for approx. 30 min. long. At this temperature, especially conductive layers with low hydrogen and oxygen overvoltage are maintained. The oxide obtained is not a stoichiometric IrO 2 , as previously described in the literature, but an oxide hydrate, the approximate composition between IrO (OH) and IrO 2 .2 H 2 O, with iridium in the oxidation states III and IV. - - Der Beschichtungs- und Kalzinierungsprozeß wird mindestens einmal durchgeführt.- The coating and calcining process is carried out at least once carried out.
-
- Mit den beschichteten Elektroden erfolgt dann eine Nachbehandlung.
Dabei werden die Elektroden anodisch polarisiert bei erhöhter Temperatur von ca. 60°C. Diese Vorpolarisation kann auch im Elektrolysebetrieb erfol gen.- After-treatment is then carried out with the coated electrodes.
The electrodes are anodically polarized at an elevated temperature of approx. 60 ° C. This pre-polarization can also take place in electrolysis mode.
Durch die Vorpolarisation werden Verunreinigungen in den Elektroden heraus gelöst oder in einen stabilen Oxidationszustand überführt (u. a. Ni2⁺ in Ni(IV)). Dadurch werden besonders langzeitstabile korrosionsresistente Elektroden er halten. The pre-polarization removes impurities in the electrodes or converts them to a stable oxidation state (including Ni 2 ⁺ in Ni (IV)). As a result, he will keep particularly long-term stable corrosion-resistant electrodes.
Es wurden Standzeiten im Elektrolysebetrieb bei 80°C und 10 bar von über 15.000 Stunden ohne nennenswerte Degradation nachgewiesen. Aufgrund der Aktivität des Elektrodenmaterials und der niedrigen Oberspannung kann der Elektrolyseur bei Betriebsspannungen unter 1,6 V betrieben werden (Fig. 4). Da durch spielen korrosive Reaktionen an den Nickelträgem und Elektroden keine Rolle mehr; der Elektrolyseur kann ferner bei niedrigeren Druck und tieferen Temperaturen betrieben werden, als dies bisher mit anderen Systemen möglich war. Insgesamt wird ein Zuwachs an Sicherheit und Standzeit bei geringeren Be triebskosten erreicht.Service life in electrolysis operation at 80 ° C and 10 bar of over 15,000 hours without any noteworthy degradation was demonstrated. Due to the activity of the electrode material and the low upper voltage, the electrolyzer can be operated at operating voltages below 1.6 V ( FIG. 4). As a result, corrosive reactions on the nickel supports and electrodes no longer play a role; the electrolyzer can also be operated at lower pressures and lower temperatures than was previously possible with other systems. Overall, an increase in safety and service life is achieved with lower operating costs.
Fig. 4 zeigt, daß die Aktivschicht die Zellspannung gegenüber Reinnickel bei der alkalischen Elektrolyse um rund ein halbes Volt erniedrigt (bei 200 mA/cm2, 70°C). Fig. 4 shows that the active layer, the cell voltage versus pure nickel in the alkaline electrolysis by about one half volt lowered (at 200 mA / cm 2, 70 ° C).
Aus einer wäßrigen Lösung von Hexachlororidiumsäure wird durch Zugabe von Alkalien Iridiumoxidhydrat ausgefällt abgefiltert und gewaschen: Der ideale Fäl lungs-pH liegt zwischen pH 9 und 14. Das Iridiumhydrat wird bei 90°-450°C ge trocknet, pulverisiert und bei 325°C auf metallische Träger aufgesintert. Alterna tiv ist die Aufbringung ohne Temperatureinwirkung mit Hilfe einer Paste, die Nafion® enthält, möglich.From an aqueous solution of hexachlororidium acid by adding Alkali iridium oxide hydrate precipitated, filtered off and washed: the ideal precipitate lungs pH is between pH 9 and 14. The iridium hydrate is ge at 90 ° -450 ° C dries, powdered and sintered at 325 ° C on metallic supports. Alterna tiv is the application without temperature influence with the help of a paste that Nafion® contains, possible.
Das Iridiumoxidhydrat wird getrocknet oder ungetrocknet mit bis zu 5% PTFE-Pulver zu einer Paste verarbeitet. Die Paste kann auch Anteile von Kohle pulver enthalten. Die Paste wird auf den Träger aufgebracht durch Streichen, Walzen, Pressen oder Sintern. The iridium oxide hydrate is dried or undried with up to 5% PTFE powder processed into a paste. The paste can also contain portions of coal powder included. The paste is applied to the carrier by brushing, Rolling, pressing or sintering.
Eine Mischung aus RuCl3 und H2IrCl6 und Natriumnitrat wird bei 400 bis 450°C zum Elektrodenmaterial umgesetzt, sorgfältig ausgewaschen und bei 325°C auf den Träger aufgesintert. Die Elektrode kann zusätzlich Anteile von Aktivkohle oder Graphit und Platin enthalten. Die genannten Platinmetalle treten in den Oxi dationsstufen III, IV (und VI) auf.A mixture of RuCl 3 and H 2 IrCl 6 and sodium nitrate is converted to the electrode material at 400 to 450 ° C, carefully washed out and sintered onto the carrier at 325 ° C. The electrode can additionally contain portions of activated carbon or graphite and platinum. The platinum metals mentioned occur in the oxidation stages III, IV (and VI).
Um ein Ein- oder Ausdringen des Elektrolyten aus der porösen Elektrodenstruk tur zu verhindern, kann die Elektrode ein- oder beidseitig hydropholisiert werden. Dazu wird die Elektrodenoberfläche mit der Lösung eines Polymers wie PTFE oder Nafion® behandelt.To prevent or penetrate the electrolyte from the porous electrode structure To prevent the electrode from being hydropholized on one or both sides. To do this, the electrode surface is covered with a solution of a polymer such as PTFE or Nafion® treated.
Als Träger werden Kohlenstoffasermatten oder -gewebe von unterschiedlicher Porosität übereinandergeschichtet, wobei die Porosität der Lagen vom Gasraum in Richtung Elektrolyt abnimmt. Es können u. a. kommerziell erhältliche Graphit papiere eingesetzt werden. Eine Verklebung der Schichten ist möglich.Carbon fiber mats or fabrics of different types are used as supports Porosity layered, with the porosity of the layers from the gas space decreases towards the electrolyte. It can a. commercially available graphite papers are used. The layers can be glued.
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