DE202015106071U1

DE202015106071U1 - Elektrochemische Zelle, Elektrode und Elektrokatalysator für eine elektrochemische Zelle

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Publication number: DE202015106071U1
Application number: DE202015106071.8U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2025-11-12

Abstract

Elektrokatalysator für eine Elektrode (38) einer elektrochemischen Zelle (10), welcher Elektrokatalysator mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz (54), insbesondere zur Anregung der Entwicklung von Sauerstoff, umfasst, gekennzeichnet durch mindestens eine auf einer ersten, elektrisch nicht-leitfähigen Trägersubstanz (58) abgeschiedene oder auf diese aufgebrachte zweite aktive Katalysatorsubstanz (56), insbesondere zur Anregung der Oxidation von Wasserstoff.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrokatalysator für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, welcher Elektrokatalysator mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz, insbesondere zur Anregung der Entwicklung von Sauerstoff, umfasst.
Ferner wird nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrokatalysators für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle beschrieben, wobei eine erste aktive Katalysatorsubstanz, insbesondere zur Anregung der Entwicklung von Sauerstoff, bereitgestellt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Katalysator-beschichtete Membran umfassend eine Ionenaustauschmembran, welche mindestens einseitig, insbesondere beidseitig, mit einem Elektrokatalysator beschichtet ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit umfassend eine Ionenaustauschmembran, welche mindestens einseitig, insbesondere beidseitig, mit einem Elektrokatalysator beschichtet ist.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, welche Elektrode mindestens eine Katalysatorschicht umfasst.
Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch einen elektrochemischen Reaktor, insbesondere in Form einer elektrochemischen Zelle, umfassend mindestens zwei Elektroden.
Verfahren, Elektrokatalysatoren, Katalysator-beschichtete Membranen, Membran-Elektroden-Einheiten, Elektroden und elektrochemische Reaktoren der eingangs beschriebenen Art sind in vielfältiger Weise bekannt. Insbesondere elektrochemische Reaktoren, welche ausgebildet sind zur Durchführung einer elektrochemischen Reaktion und mindestens zwei Elektroden umfassen, kommen in vielfältiger Form zum Einsatz. So gewinnen beispielsweise elektrochemische Reaktoren in Form von elektrochemischen Zellen, insbesondere hocheffiziente Brennstoffzellen und Elektrolyseure, aufgrund der in Deutschland beschlossenen Energiewende, zunehmend an Bedeutung.
Die Hauptreaktion an der Anode einer Brennstoffzelle ist die Oxidation des Wasserstoffs (HOR – "Hydrogen Oxidation Reaction") und bei einem Elektrolyseur die Sauerstoffentwicklung (OER – "Oxygen Evolution Reaction"). An der Kathode der Brennstoffstoffzelle wird Sauerstoff reduziert (ORR – "Oxidation Reduction Reaction") und bei der Elektrolyse Wasserstoff entwickelt (HER – "Hydrogen Evolution Reaction"). Für alle genannten Reaktionen werden bislang Elektrokatalysatoren aus reinem Edelmetall oder zumindest mit einem sehr hohen Edelmetallanteil verwendet. Insbesondere kommen Platin und Iridium zum Einsatz. Die Kosten solcher Elektrokatalysatoren sind dementsprechend hoch.
Ein insbesondere bei Elektrolyseuren auftretendes Problem ist die Diffusion von an der Kathode gebildetem molekularem Wasserstoff H₂ durch eine die Kathode von der Anode trennende Ionenaustauschmembran hin zur Anode. Dadurch bildet sich an der Anode eine Mischung aus molekularem Sauerstoff O₂ und molekularem Wasserstoff H₂, sogenanntes Knallgas, im englischen Sprachraum auch Oxyhydrogen genannt. Ein reaktives Gemisch liegt vor, wenn der Wasserstoffanteil des Gasgemischs an der Anode mindestens 4 % des Gasvolumens beträgt. Es ist bekannt, zur Verhinderung einer überhöhten anodenseitigen Wasserstoffkonzentration eine zusätzliche Schicht Platin auf die Membran-Elektroden-Einheit oder den Stromkollektor aufzubringen. Allerdings ist diese Vorgehensweise sehr teuer, da hierfür sehr viel des seltenen Edelmetalls benötigt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektrochemische Reaktoren, Katalysator-beschichtete Membranen, Membran-Elektroden-Einheiten, Elektroden und Elektrokatalysatoren der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, dass elektrochemische Reaktoren möglichst sicher betrieben werden können.
Zu diesem Zweck wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass auf mindestens einer ersten, elektrisch nicht-leitfähigen Trägersubstanz eine zweite aktive Katalysatorsubstanz zur Anregung der Oxidation von Wasserstoff abgeschieden oder auf diese aufgebracht und dass die auf der ersten Trägersubstanz abgeschiedene oder aufgebrachte zweite aktive Katalysatorsubstanz mit der ersten aktiven Katalysatorsubstanz gemischt wird.
Durch die zweite aktive Katalysatorsubstanz ist es möglich, durch die Membran des elektrochemischen Reaktors diffundierenden molekularen Wasserstoff zu oxidieren, um so die Ausbildung eines reaktiven Knallgasgemisches an der Anode zu verhindern. Durch den Einsatz der mindestens einen ersten, elektrisch nicht-leitfähigen Trägersubstanz kann die zweite aktive Katalysatorsubstanz teilweise substituiert werden, so dass mit minimaler Beladung der mindestens einen ersten Trägersubstanz mit der zweiten aktiven Katalysatorsubstanz eine maximale HOR-Aktivität erreicht werden kann. So kann insbesondere der Einsatz von Edelmetallen als zweite aktive Katalysatorsubstanz trotz effizienter Wasserstoffumsetzung minimiert werden. Durch die Oxidation des zur Anode diffundierenden Wasserstoffs ist es zudem möglich, eine Dicke der Membran weiter zu verringern, wodurch die Gesamteffizienz des elektrochemischen Reaktors, insbesondere eines Elektrolyseurs, weiter verbessert werden kann. Die mindestens eine erste, elektrisch nicht-leitfähige Trägersubstanz verhindert insbesondere, dass die zweite aktive Katalysatorsubstanz auf Potential liegt. Zudem ist es ferner auch möglich, auf diese Weise ein mögliches Vergiften der ersten aktiven Katalysatorsubstanz für die Sauerstoffentwicklung zu verhindern. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich der Elektrokatalysator umweltfreundlich produzieren und lässt insbesondere auch weitere Effizienzoptimierungen durch Verringerung der Membrandicke zu. Die erste Trägersubstanz kann auch die zweite aktive Katalysatorsubstanz umgeben.
Die Oxidation des Wasserstoffs kann insbesondere durch gezielte Reaktion mit Sauerstoff zur Ausbildung von Wasser führen. Von Vorteil ist es daher, wenn die mindestens eine erste Trägersubtanz hydrophob ist.
Vorteilhaft ist es, wenn eine erste Trägersubstanz mit einer elektrischen Leitfä higkeit von maximal 1 × 10^–3 S/m verwendet wird, um die vorzugsweise gewünschte Isolationseigenschaft der mindestens einen ersten Trägersubstanz sicherzustellen, sollte deren elektrische Leitfähigkeit stets unterhalb des angegebenen Grenzwerts liegen, um sicher zu vermeiden, dass die zweite Katalysatorsubstanz auf Potential liegt.
Ferner ist es günstig, wenn eine erste Trägersubstanz verwendet wird, die eine Keramik, ein Polymer, insbesondere Tetrafluorethylen,(PTFE), und/oder ein Metalloxid ist oder enthält. Eine solche erste Trägersubstanz ermöglicht es auf einfache Weise, die zweite aktive Katalysatorsubstanz zur Anregung der Oxidation von Wasserstoff darauf abzuscheiden oder auf diese aufzubringen. Ferner gibt es zahlreiche geeignete Keramiken oder Metalloxide, die nicht-leitfähig sind.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Keramik oder ein Metalloxid verwendet wird, das Titan enthält. Auf diese Weise lässt sich eine erste Trägersubstanz ausbilden, die deutlich kostengünstiger ist als die zweite aktive Katalysatorsubstanz ohne Träger, also ungeträgert, auf den Stromkollektor oder die Membran aufzubringen.
Besonders kostengünstig ausbilden lässt sich der Elektrokatalysator, wenn Titanoxid (TIO) oder Titandioxid (TIO₂) als Metalloxid verwendet wird.
Günstig ist es, wenn die erste aktive Katalysatorsubstanz auf mindestens einer zweiten, elektrisch leitfähigen Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird. Diese Weiterbildung ermöglicht es insbesondere, Elektrokatalysatoren herzustellen, deren katalytische Aktivität mit herkömmlichen bekannten Elektrokatalysatoren vergleichbar ist, welche jedoch eine deutlich geringere Menge der ersten aktiven Katalysatorsubstanz, insbesondere Edelmetalle, enthalten. Dies wird insbesondere durch den Einsatz einer oder mehrerer elektrisch leitfähiger zweiter Trägersubstanzen ermöglicht, durch welche eine aktive Oberfläche des Elektrokatalysators vergrößert wird, ohne die Menge der ersten aktiven Katalysatorsubstanz zu erhöhen. Im Gegenteil: Die zweite Trägersubstanz ermöglicht die Anlagerung der ersten aktiven Katalysatorsubstanz, so dass trotz verringerter Menge derselben eine vergleichbare katalytische Aktivität erreichbar ist, was einer Erhöhung der Leistungsdichte der ersten Katalysatorsubstanz gleichkommt. Damit einhergehend ist eine signifikante Kostenreduktion, da beispielsweise beim Einsatz von Iridium als aktiver erster Katalysatorsubstanz im Vergleich zu Elektrokatalysatoren, die aus reinem Iridium bestehen, nur noch ein deutlich geringerer Anteil an Iridium erforderlich ist, um dieselbe katalytische Aktivität zu erreichen. Dies gilt entsprechend auch für Platin.
Um den Einsatz des Elektrokatalysators in elektrochemischen Zellen oder Reaktoren zu verbessern, ist es günstig, wenn eine hochleitfähige und/oder korrosionsbeständige zweite Trägersubstanz eingesetzt wird. Insbesondere bei häufig zum Einsatz kommenden sauren Elektrolyten kann so die Lebensdauer des Elektrokatalysators signifikant verlängert werden.
Vorzugsweise wird eine zweite Trägersubstanz mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 1 × 10⁶ S/m eingesetzt. Eine solche zweite Trägersubstanz ermöglicht die optimale Ableitung der bei der elektrolytischen Spaltung von Wasser entstehenden Elektronen.
Hervorragende Aktivitäten für die Sauerstoffentwicklungsreaktion und/oder die Wasserstoffoxidationsreaktion lassen sich erreichen, wenn eine erste und/oder eine zweite aktive Katalysatorsubstanz verwendet wird, welche ein Edelmetall oder eine Mischung aus zwei oder mehr Edelmetallen ist oder enthält. Es können also insbesondere Edelmetalle oder Edelmetallmischungen eingesetzt werden, die für die angegebenen Reaktionen besonders gut geeignet sind. Durch den Einsatz der ersten beziehungsweise ersten Trägersubstanz lässt sich jedoch die Menge der bei herkömmlichen Elektrokatalysatoren einzusetzenden Edelmetalle deutlich verringern.
Vorteilhaft ist es, wenn eine erste und/oder eine zweite Katalysatorsubstanz verwendet wird, welche Platin (Pt), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Iridium-Vanadium (IrV), Platin-Iridium (PtIr) oder Platin-Iridium-Vanadium (PtIrV) oder eine Mischung aus einem oder mehreren dieser Stoffe ist. Die genannten Stoffe und Stoffmischungen ermöglichen es insbesondere, mit dem Elektrokatalysator gewünschte Aktivitäten für die Sauerstoffentwicklungsreaktion sowie die Wasserstoffoxidationsreaktion zu erreichen.
Vorteilhaft ist es, wenn zur Ausbildung eines geträgerten Nanokatalysators die mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz in Form von Nanopartikeln auf der zweiten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird und/oder wenn die mindestens eine zweite aktive Katalysatorsubstanz in Form von Nanopartikeln auf der ersten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird. Insbesondere können auch die erste und/oder die zweite Trägersubstanz in Form von Nanoartikeln bereitgestellt werden, so dass insgesamt eine deutliche Vergrößerung der aktiven Oberfläche des Elektrokatalysators erreicht werden kann, und zwar ohne die Menge der ersten und/oder zweiten aktiven Katalysatorsubstanz zu erhöhen.
Vorzugsweise wird die mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion auf der zweiten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht und/oder wird die mindestens eine zweite aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion auf der ersten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht. Insbesondere wird die chemische Reaktion bei Raumtemperatur und insbesondere auch unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Beispielsweise kann als Schutzgas Argon zum Einsatz kommen. Eine chemische Reaktion bei Raumtemperatur durchzuführen bedeutet insbesondere einen deutlich geringeren Herstellungsaufwand als beispielsweise das Aufbringen einer Katalysatorschicht auf eine Trägerplatte mittels thermischem Spritzen.
Auf besonders einfache Weise herstellen lässt sich der Elektrokatalysator, wenn die zweite Trägersubstanz und mindestens ein Edelmetallsalz, insbesondere ein Chlorsalz, des mindestens einen Edelmetalls in einem ersten Lösungsmittel aufgelöst werden und wenn die mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz durch Reduktion des mindestens einen Edelmetallsalzes durch Zugeben eines in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der zweiten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird und/oder wenn die erste Trägersubstanz und mindestens ein Edelmetallsalz, insbesondere ein Chlorsalz, des mindestens einen Edelmetalls in einem dritten Lösungsmittel aufgelöst werden und wenn die mindestens eine zweite aktive Katalysatorsubstanz durch Reduktion des mindestens einen Edelmetallsalzes durch Zugeben eines in einem vierten Lösungsmittel gelösten Reduktionsmittels auf der ersten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht wird. Als Reduktionsmittel kann beispielsweise Natriumborhydrid (NaBH₄) eingesetzt werden. Die beschriebene Vermischung zweier Lösungen stellt eine einfache Herstellungsmethode des Elektrokatalysators dar.
Vorzugsweise wird als erstes, zweiten, drittes und/oder viertes Lösungsmittel ein Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoff-Basis, insbesondere wasserfreies Ethanol, eingesetzt. Ethanol stellt ein umweltfreundliches Lösungsmittel dar und ist kostengünstig verfügbar. Insbesondere dann, wenn sowohl die erste und/oder die zweite Trägersubstanz als auch das mindestens eine Edelmetallsalz im selben Lösungsmittel gelöst werden, kann auf die Bereitstellung eines zweiten, dritten und vierten Lösungsmittels verzichtet werden. Beispielsweise kann als erstes, zweiten, drittes und/oder viertes Lösungsmittel auch Xylen eingesetzt werden.
Um eine Oberflächenaktivität bei der Reaktion zu verbessern, ist es günstig, wenn im ersten und/oder dritten Lösungsmittel vor dem Auflösen der ersten und/oder zweiten Trägersubstanz ein Tensid, insbesondere ein kationisches Tensid, aufgelöst wird.
Vorzugsweise wird als kationisches Tensid Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) eingesetzt. Dieses Tensid wirkt insbesondere oberflächenaktiv und verhindert, dass bei der durchgeführten Reaktion Nanopartikel der ersten und/oder zweiten Trägersubstanz agglomerieren und so eine Oberfläche zum Abscheiden der mindestens einen ersten und/oder zweiten aktiven Katalysatorsubstanz minimieren.
Günstig ist es, wenn aus der zweiten Trägersubstanz und dem ersten Lösungsmittel eine erste Lösung hergestellt wird, wenn aus dem mindestens einen Edelmetallsalz und dem zweiten Lösungsmittel eine zweite Lösung hergestellt wird und wenn die erste und die zweite Lösung vor dem Zugeben des Reduktionsmittels gemischt werden und/oder wenn aus der ersten Trägersubstanz und dem dritten Lösungsmittel eine dritte Lösung hergestellt wird, wenn aus dem mindestens einen Edelmetallsalz und dem vierten Lösungsmittel eine vierte Lösung hergestellt wird und wenn die dritte und die vierte Lösung vor dem Zugeben des Reduktionsmittels gemischt werden. Auf diese Weise kann mehr als eine homogene Durchmischung der ersten und/oder der zweiten Trägersubstanz und der Edelmetallionen in der Lösung vor der Reduktion der Edelmetallionen erreicht werden.
Um das Durchführen der chemischen Reaktion zu verbessern und insgesamt eine möglichst hohe elektrochemische Oberfläche des Elektrokatalysators zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die erste und/oder die zweite Trägersubstanz in Pulverform eingesetzt werden. Insbesondere kann das Pulver Partikel der ersten oder der zweiten Trägersubstanz im Nanometerbereich umfassen. Vorzugsweise liegt eine Größe der Nanopartikel der ersten und/oder der zweiten Trägersubstanz in einem Bereich von etwa 10 nm bis 500 nm, insbesondere etwa 50 nm.
Vorzugsweise wird eine zweite Trägersubstanz eingesetzt, welche Titan und/ oder Sauerstoff und/oder Iridium und/oder Antimon und/oder Zinn und/oder ein Metall und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Gold und/oder eine Elektrokeramik ist oder enthält. Derartige zweite Trägersubstanzen, insbesondere auch Mischungen der angegebenen Stoffe, eignen sich hervorragend für die Ausbildung von Elektrokatalysatoren mit einer hohen katalytischen Aktivität insbesondere für die Sauerstoffentwicklungsreaktion und einem geringen Edelmetallanteil. Unter einer Elektrokeramik ist insbesondere eine elektrisch leitfähige Keramik zu verstehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als zweite Trägersubstanz Titansuboxid (Ti₄O₇) oder Iridium in der Modifikation Ir-Black oder Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Titan-Metalloxid (Ti_1-xM_xO₂ mit M = W, Nb, Mo) oder Bor dotiertes Siliziumkarbid (SiC:B) oder Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO₂:F) oder Gold (Au) eingesetzt wird. Insbesondere Titansuboxid hat hervorragende Eigenschaften, die das Abscheiden von Edelmetallen auf der zweiten Trägersubstanz ermöglichen.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird bei einem Elektrokatalysator der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dieser mindestens eine auf einer ersten, elektrisch nicht-leitfähigen Trägersubstanz abgeschiedene oder auf diese aufgebrachte zweite aktive Katalysatorsubstanz zur Anregung der Oxidation von Wasserstoff umfasst.
Wie bereits oben beschrieben lassen sich solche Elektrokatalysatoren mit relativ geringem Aufwand und umweltfreundlich herstellen. Zudem sind die Kosten solcher Elektrokatalysatoren im Vergleich zu herkömmlichen Elektrokatalysatoren, die überwiegend oder ganz aus Edelmetallen bestehen, deutlich geringer, ohne eine Einbuße der katalytischen Aktivität in Kauf nehmen zu müssen. Durch die zweite aktive Katalysatorsubstanz kann effektiv Wasserstoff an der Anode mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert werden, wodurch die Gefahr einer Knallgasreaktion signifikant vermindert wird. Der Einsatz einer ersten, elektrisch nicht-leitfähigen Trägersubstanz hat zudem den Vorteil, dass keine großen Mengen der zweiten aktiven Katalysatorsubstanz benötigt werden.
Durch die Trägerung der zweiten Katalysatorsubstanz wird von dieser nur eine im Vergleich deutlich geringere Menge benötigt. Als erste Trägersubstanz kann insbesondere ein kostengünstiges Material, das elektrisch nicht leitfähig ist, eingesetzt werden. Die erste Trägersubstanz kann auch die zweite aktive Katalysatorsubstanz umgeben.
Vorteilhafterweise weist die erste Trägersubstanz eine elektrische Leitfähigkeit von maximal 1 × 10^–3 S/m auf. Eine solch geringe elektrische Leitfähigkeit verhindert, dass die zweite Katalysatorsubstanz auf Potential liegt.
Auf kostengünstige Weise lässt sich die zweite Katalysatorsubstanz zumindest teilweise in der sonst erforderlichen Menge reduzieren, wenn die erste Trägersubstanz eine Keramik, ein Polymer, insbesondere Tetrafluorethylen (PTFE), und/oder ein Metalloxid ist oder enthält.
Auf einfache Weise herstellen lässt sich der Elektrokatalysator, wenn die Keramik oder das Metalloxid Titan enthält. Zudem kann eine solche erste Trägersubstanz im Vergleich zu einer zweiten aktiven Katalysatorsubstanz, die aus einem Edelmetall oder einer Mischung aus Edelmetallen besteht, deutlich kostengünstiger hergestellt werden.
Insbesondere gute Eigenschaften der ersten Trägersubstanz zum Abscheiden beziehungsweise Aufbringen der zweiten aktiven Katalysatorsubstanz lassen sich erhalten, wenn das Metalloxid Titanoxid (TIO) oder Titandioxid (TIO₂) ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste aktive Katalysatorsubstanz auf einer ersten, elektrisch leitfähigen Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist. So kann der Elektrokatalysator bei gleicher Aktivität mit deutlich weniger Edelmetalleinsatz ausgebildet werden.
Um die katalytische Aktivität des Elektrokatalysators zu optimieren, ist es vorteilhaft, wenn die zweite Trägersubstanz hochleitfähig und/oder korrosionsbeständig ist. Insbesondere bei Verwendung von sauren und alkalischen Elektrolyten ist eine hohe Korrosionsbeständigkeit wünschenswert.
Günstigerweise weist die zweite Trägersubstanz eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 × 10⁶ S/m auf. Durch eine solche Leitfähigkeit wird insbesondere sichergestellt, dass bei der Zersetzung von Wasser gebildete Elektronen von der Anode sicher abgeleitet werden können.
Vorzugsweise ist die erste und/oder die zweite Katalysatorsubstanz ein Edelmetall oder eine Mischung aus zwei oder mehr Edelmetallen. Edelmetalle oder Edelmetallmischungen eignen sich hervorragend, um die Entwicklung von Sauerstoff und/oder die Oxidation von Wasserstoff anzuregen beziehungsweise zu unterstützen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Katalysatorsubstanz Platin (Pt), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Iridium-Vanadium (IrV), Platin-Iridium (PtIr) oder Platin-Iridium-Vanadium (PtIrV) oder eine Mischung aus einem oder mehreren dieser Stoffe ist. Die angegebenen Stoffe ermöglichen eine effiziente Entwicklung von Sauerstoff und auch eine gute Oxidation von Wasserstoff. Übergangsmetalle aus der vierten Nebengruppe (Titangruppe) oder der fünften Nebengruppe (Vanadiumgruppe) des Periodensystems der Elemente mit Edelmetallen zu Katalysatorsubstanzen zu mischen ermöglicht es insbesondere, im Vergleich zu reinen Edelmetallen deutlich kostengünstigere Elektrokatalysatoren herzustellen. Zudem erlaubt eine solche Mischung auch die Ausbildung von Legierungen mit Edelmetallen, insbesondere auch auf den vorgeschlagenen Trägersubstanzen, und zwar sowohl auf Metallen und metallischen Legierungen als auch auf Keramiken, insbesondere elektrisch leitfähigen Keramiken, oder nicht-leitfähigen Trägersubstanzen wie Keramiken oder nicht-leitfähigen Metalloxiden. Übergangsmetalle wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal sind im Vergleich zu Edelmetallen deutlich kostengünstiger und ermöglichen eine optimale Legierung mit Edelmetallen und entsprechenden Trägersubstanzen.
Günstig ist es, wenn der Elektrokatalysator in Form eines geträgerten Nanokatalysators ausgebildet ist, bei welchem die erste aktive Katalysatorsubstanz in Form von Nanopartikeln auf der zweiten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist und/oder bei welchem die zweite aktive Katalysatorsubstanz in Form von Nanopartikeln auf der ersten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist. Ein solcher Elektrokatalysator weist eine hohe aktive Oberfläche auf. Insbesondere können auch die erste und/ oder die zweite Trägersubstanz in Form von Nanopartikeln zur Ausbildung des Elektrokatalysators eingesetzt werden, wodurch eine aktive Oberfläche des Elektrokatalysators weiter erhöht werden kann. Bei gleicher Edelmetallmenge weist ein solcher Elektrokatalysator eine deutlich verbesserte Leistungsdichte auf, da für eine vergleichbare katalytische Aktivität deutlich geringere Mengen an aktiven Katalysatorsubstanzen, insbesondere Edelmetallen, eingesetzt werden müssen.
Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion auf der zweiten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist und/oder wenn die mindestens eine zweite aktive Katalysatorsubstanz durch eine wasserfreie chemische Reaktion auf der ersten Trägersubstanz abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist. Ein solcher Elektrokatalysator lässt sich mit relativ geringem apparativem Aufwand und kostengünstig herstellen.
Um eine möglichst große aktive Oberfläche des Elektrokatalysators zu erzeugen, ist es günstig, wenn die erste und/oder die zweite Trägersubstanz pulverförmig sind. Insbesondere kann es sich bei der ersten und/oder der zweiten Trägersubstanz um ein Pulver mit Partikeln handeln, welche eine Größe im Nanometerbereich aufweisen. Insbesondere können die Partikel eine Größe in einem Bereich von 10 nm bis 800 nm aufweisen, insbesondere in einem Bereich von 50 nm bis etwa 400 nm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Trägersubstanz Titan und/oder Sauerstoff und/ oder Iridium und/oder Antimon und/oder Zinn und/oder ein Metall und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Gold und/oder eine Elektrokeramik ist oder enthält. Mit den genannten Stoffen lassen sich insbesondere hochleitfähige und/oder korrosionsbeständige Pulver herstellen, die mit einer ersten aktiven Katalysatorsubstanz versehen werden können.
Besonders gute katalytische Aktivitäten lassen sich erreichen, wenn die zweite Trägersubstanz Titansuboxid (Ti₄O₇) oder Iridium in der Modifikation Ir-Black oder Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Titan-Metalloxid (Ti_1-xM_xO₂ mit M = W, Nb, Mo) oder Bor dotiertes Siliziumkarbid (SiC:B) oder Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO₂:F) oder Gold (Au) ist. Insbesondere Titansuboxid hat hervorragende Eigenschaften, die das Abscheiden von Edelmetallen auf der zweiten Trägersubstanz ermöglichen.
Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren zur Herstellung von Katalysator-beschichteten Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten für elektrochemische Zellen vorgeschlagen, insbesondere für Brennstoffzellen und Elektrolyseure, weiter insbesondere Ionenaustauschmembran-Brennstoffzellen und Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure.
Auf diese Weise lassen sich insbesondere leistungsstarke Katalysator-beschichtete Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten kostengünstig herstellen.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Katalysator-beschichteten Membran der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektrokatalysator in Form eines der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren ausgebildet ist.
Eine solche Katalysator-beschichtete Membran weist die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektrokatalysatoren beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere kann sie im Vergleich zu herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheiten deutlich kostengünstiger ausgebildet werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Membran-Elektroden-Einheit der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektrokatalysator in Form eines der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren ausgebildet ist.
Eine solche Membran-Elektroden-Einheit weist die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektrokatalysatoren beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere kann sie im Vergleich zu herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheiten deutlich kostengünstiger ausgebildet werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Elektrode der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Katalysatorschicht einen der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren umfasst oder durch einen der oben beschriebenen Elektrokatalysatoren gebildet ist.
Eine solche Elektrode weist die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektrokatalysatoren beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere kann sie im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden deutlich kostengünstiger ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Katalysatorschicht in Form einer anodischen oder kathodischen Katalysatorschicht ausgebildet ist. So lassen sich insbesondere Katalysatorschichten von Anoden und Kathoden elektrochemischer Zellen oder Reaktoren ausbilden.
Insbesondere ist es günstig, wenn die Elektrode in Form einer Anode für einen Wasserelektrolyseur ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich dabei um einen Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur, beispielsweise in Form eines Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs, handeln. Mit einer solchen Elektrode lässt sich Wasser deutlich kostengünstiger in seine Bestandteile Wassersoff und Sauerstoff zerlegen.
Ferner ist es günstig, wenn die Elektrode in Form einer Kathode für eine Brennstoffzelle ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle handeln, beispielsweise in Form einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Eine solche erfindungsgemäß vorgeschlagene Elektrode ist im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden deutlich kostengünstiger herzustellen.
Um insbesondere kompakte elektrochemische Zellen und Reaktoren ausbilden zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode einen Elektrodenträger in Form einer Bipolarplatte umfasst. Diese kann beispielsweise aus einem geeigneten Metall gebildet sein und Gasleitungskanäle aufweisen, um beim Einsatz der elektrochemischen Zelle gebildete Gase abzuleiten oder dieser zugeführte Gase zu den Elektrokatalysatoren zu leiten.
Um einen Durchtritt gebildeter Gase oder das Zusammenführen derselben bei elektrochemischen Reaktoren und Zellen zu verbessern, ist es günstig, wenn die Elektrode eine auf dem Elektrodenträger aufgebrachte Gasdiffusionsschicht umfasst.
Um eine Reaktion der elektrochemischen Zelle zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht aufgebracht ist. Beispielsweise können in einer elektrochemischen Zelle oder einem elektrochemischen Reaktor zwei solche Elektroden zusammengefügt werden, wobei sie durch eine Protonenaustauschmembran voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten können dann auf beiden Seiten einer Protonenaustauschmembran Katalysatorschichten ausgebildet sein, die wiederum jeweils durch eine Gasdiffusionsschicht von einem Elektrodenträger getrennt sind.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem elektrochemischen Reaktor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine der zwei Elektroden in Form einer der oben beschriebenen vorteilhaften Elektroden ausgebildet ist.
Eine solcher elektrochemischer Reaktor ist im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen Zellen deutlich kostengünstiger, da die benötigte Menge an Edelmetallen signifikant verringert ist. Zudem ist bei ihm das Risiko einer Knallgasexplosion verringert.
Günstig ist es, wenn der elektrochemische Reaktor in Form einer Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle, eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs, einer Redox-Flussbatterie, eines elektrochemischen Reaktors zur Kohlenstoffdioxid- und Stickstoffreduktion, eines elektrochemischen Reaktors zur Oxidation und/oder Reduktion von Lignin, eines elektrochemischen Reaktors zur Hydrierung von Gasen oder Flüssigkeiten, eines elektrochemischen Zelle zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, Lithium-Luft-Batterie, Metall-Luft-Batterie oder eines Metallschicht-Abscheidungselektrolyseurs ausgebildet ist. Bei all diesen verschiedenen Einsätzen elektrochemischer Zellen und Reaktoren können so signifikant Kosten insbesondere bei der Herstellung derselben eingespart wenden, ohne eine Wirkungsweise und Effizienz des elektrochemischen Reaktors oder der elektrochemischen Zelle zu verringern.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Schnittansicht durch einen Ionenaustauschmembran-Waserelektolyseur;
2: eine schematische Darstellung einer anodischen Schicht eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs;
3a: eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante einer Membran-Elektroden-Einheit eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs;
3b: eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante einer Membran-Elektroden-Einheit eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs;
3c: eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante einer Membran-Elektroden-Einheit eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs;
3d: eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante einer Membran-Elektroden-Einheit eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs;
3e: eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante einer Membran-Elektroden-Einheit eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs;
4: eine schematische Darstellung der chemischen Synthese eines Ir/Ti₄O₇-Katalysators;
5: Vergleich von Aktivitätsmessungen katalytischer Schichten gemäß dem Stand der Technik und der Erfindung, wobei die Stromwerte normiert wurden auf A mg^–1 Ir;
6: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme von Ir-Black der Firma Umicore;
7a: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators IrV (mit Ir-Mohr);
7b: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt/Ti₄O₇;
7c: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt/ Ti₄O₇;
7d: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt₃Ir/Ti₄O₇;
7e: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators PtIr₃/Ti₄O₇;
7f: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators IrV/Ti₄O₇, wärmebehandelt nach Synthese des Elektrokatalysators Ir/Ti₄O₇;
7g: Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Ir/Ti₄O₇ (hitzebehandelt);
8: Darstellung der OER-Aktivität der Elektrokatalysatoren IrV/Ti₄O₇, Ir/Ti₄O₇, Ir-Mohr (von Umicore) + Ti₄O₇, Ir-Mohr (von Umicore), IrO₂/TiO₂ aka Elyst Ir75 (von Umicore);
9: Darstellung der ORR- und OER-Aktivität der Elektrokatalysatoren Pt₃Ir/Ti₄O₇, PtIr₃/Ti₄O₇, PtIr/Ti₄O₇, Ir-Mohr (von Umicore), Pt-Mohr (von Johnson Matthey);
10: Darstellung der OER-Aktivität der Elektrokatalysatoren PtIr₃/ATO, PtIr₃/Ti₄O₇, Ir-Mohr (von Umicore); und
11: eine schematische Darstellung der Synthese des Elektrokatalysators PtIr/Ti₄O₇.
In 1 ist schematisch der Schnitt durch einen elektrochemischen Reaktor in Form einer elektrochemische Zelle 10, nämlich durch einen Wasserelektrolyseur 12 dargestellt, welcher in Form eines Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs 14 ausgebildet ist, welcher einen Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur darstellt. Er umfasst eine Protonenaustauschmembran ("PEM") 16, beispielsweise aus perfluorierter Schwefelsäure ("PFSA").
Die elektrochemische Zelle 10 umfasst ferner eine Katalysator-beschichtete Membran 18. Eine Kathode 20 der elektrochemischen Zelle 10 umfasst eine kathodische Bipolarplatte 22, die ein Strömungsfeld 24 der kathodischen Bipolarplatte 22 definiert durch eine Mehrzahl an Kanälen 26, die einen sogenannten Wasserstoffverteiler 28 bilden zum Ableiten des durch die Elektrolyse gebildeten Wasserstoffs.
Auf die kathodische Bipolarplatte 22 ist eine kathodische Gasdiffusionsschicht 32 aufgebracht, die mit der kathodischen Bipolarplatte 22 eine Kontaktoberfläche 30 definiert.
Auf die kathodische Gasdiffusionsschicht 32 ist eine kathodische Katalysatorschicht 34 aufgebracht, die durch die Protonenaustauschmembran 16 bedeckt ist, welche an eine anodische Katalysatorschicht einer Anode 38 der elektrochemischen Zelle 10 angrenzt. Die anodische Katalysatorschicht 36, welche eine einen Stromkollektor 40 definierende Schicht bedeckt, grenzt an eine anodische Bipolarplatte 42 an und definiert mit dieser eine Kontaktoberfläche 44.
Auch in der anodischen Bipolarplatte 42 sind zum Stromkollektor 40 hin weisend mehrere Kanäle 46 ausgebildet, welche ein Strömungsfeld 10 der anodischen Bipolarplatte 42 definieren. Die Mehrzahl an Kanälen 46 definiert einen Wasserverteiler 50, mit welchem Wasser für die Elektrolyse zugeführt werden kann.
In 2 ist beispielhaft der Aufbau der anodischen Katalysatorschicht 36 auf der Ionenaustauschmembran 16 dargestellt.
Die Katalysatorschicht 36 umfasst eine zweite Trägersubstanz 52, beispielsweise in Form eines elektrisch leitfähigen Trägermaterials. Auf der zweiten Trägersubstanz 52 ist eine erste aktive Katalysatorsubstanz 54 zur Anregung der Entwicklung von Sauerstoff abgeschieden oder aufgebracht, beispielsweise durch eine nachfolgend noch im Detail beschriebene nasschemische Reaktion. Als erste Katalysatorsubstanz kann insbesondere ein Edelmetall oder eine Mischung aus zwei oder mehr Edelmetallen eingesetzt werden, beispielsweise Platin (Pt), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Iridium-Vanadium (IrV), Platin-Iridium (PtIr) oder Platin-Iridium-Vanadium (PtIrV) oder eine Mischung aus einem oder mehreren dieser Stoffe.
Um den durch die Ionenaustauschmembran 16 diffundierenden molekularen Wasserstoff H₂ zu oxidieren, damit die Ausbildung eines reaktiven Knallgasgemisches mit dem an der Anode 38 gebildeten molekularen Sauerstoff O₂ verhindert wird, umfasst die anodische Katalysatorschicht 36 ferner eine zweite aktive Katalysatorsubstanz 56, die auf eine erste Trägersubstanz 58 aufgebracht oder auf dieser abgeschieden ist. Die zweite aktive Katalysatorsubstanz 56 kann aus denselben Stoffen ausgebildet sein wie die erste Katalysatorsubstanz 54. Allerdings unterscheidet sich die erste Trägersubstanz 58 von der zweiten Trägersubstanz 52 dadurch, dass sie elektrisch nicht leitend ist. Vorzugsweise ist die elektrische Leitfähigkeit der ersten Trägersubstanz 58 nicht größer als 1·10^–3 S/m. Die erste Trägersubstanz 58 wird vorzugsweise gebildet durch eine Keramik oder ein elektrisch nicht leitendes Metalloxid. Beide können insbesondere Titan enthalten. Als erste Trägersubstanz 58 wird vorzugsweise Titanoxid oder Titandioxid eingesetzt.
Die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Trägersubstanz 52 beträgt vorzugsweise mindestens 1·10⁶ S/m. Zudem wird bevorzugt eine korrosionsbeständige zweite Trägersubstanz 52 gewählt.
Durch die Trägerung der ersten Katalysatorsubstanz 54 auf der zweiten Trägersubstanz 52 und der zweiten Katalysatorsubstanz 58 kann eine Edelmetallbeladung trotz effizienter Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) minimiert werden. Um die Wanderung der bei der Elektrolyse entstehenden Protonen durch die Ionenaustauschmembran 16 zu verbessern, kann diese in ihrer Dicke verringert werden. Durch die zweite aktive Katalysatorsubstanz 56 auf der ersten Trägersubstanz 58 wird wirksam die Gefahr der Ausbildung eines reaktiven Knallgasgemisches an der Anode verhindert. Der molekulare Wasserstoff wird durch die zweite Katalysatorsubstanz 56 mit dem vorhandenen molekularen Sauerstoff zu Wasser (H₂O) umgesetzt.
Die erste Katalysatorsubstanz 54 dient in erster Linie der Unterstützung der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bei der Spaltung von H₂O.
Die chemischen Reaktionsgleichungen bei der Elektrolyse von Wasser sind nachfolgend wiedergegeben: 2H₂O → 4H⁺ + e^– + O₂ 4H⁺ + 4e^– → 2H₂
Die Bildung molekularen Wasserstoffs erfolgt an der Kathode, wobei abhängig von der Dicke der Ionenaustauschmembran 16 nicht verhindert werden kann, dass molekularer Wasserstoff H₂ durch die Ionenaustauschmembran 16 zur Anode 38 diffundiert.
In den 3a bis 3e sind verschiedene Ausführungsbeispiele für die Integration des Elektrokatalysators für die Wasserstoffoxidationsreaktion in die anodische Katalysatorschicht 36 der durch die Ionenaustauschmembran 16 sowie die Katalysatorschichten 34 und 36 definierten Membran-Elektroden-Einheit 60 schematisch dargestellt.
In 3a umfasst die Membran-Elektroden-Einheit 60 eine anodische Katalysatorschicht 36, welche durch eine Mischung von einer auf der zweiten Trägersubstanz 52 geträgerten ersten aktiven Katalysatorsubstanz 54 und einer auf der ersten Trägersubstanz 58 geträgerten zweiten Katalysatorsubstanz 56 gebildet ist. Die Ausbildung der Katalysatorschicht 36 wird realisiert durch physikalisches Vermischen der beiden geträgerten Katalysatorsubstanzen 54 und 56 vor dem Aufbringen auf die Ionenaustauschmembran 16.
Bei der in 3b dargestellten Variante der Membran-Elektroden-Einheit 60 ist die Katalysatorschicht 36 segmentiert ausgebildet. Segmente mit der geträgerten ersten Katalysatorsubstanz 54 bilden sogenannte HOR-Segmente 62, die direkt auf die Ionenaustauschmembran 16 aufgebracht und benachbart zu sogenannten OER-Segmenten 64 angeordnet sind. Die OER-Segmente 64 werden gebildet durch die geträgerte erste Katalysatorsubstanz 54 auf der zweiten Trägersubstanz 52. Die HOR-Segmente 62 und die OER-Segmente 64 können streifenförmig oder schachbrettartig auf der Ionenaustauschmembran 16 aufgebracht werden.
Wie in 3c schematisch dargestellt, kann die Membran-Elektroden-Einheit 60 auch mit einer zweilagigen Katalysatorschicht 36 ausgebildet werden. Auf die Ionenaustauschmembran 16 ist eine Mischschicht 66 aus der auf der ersten Trägersubstanz 58 geträgerten zweiten aktiven Katalysatorsubstanz 56 mit Perfluorsulfonsäure-Polymer-Partikeln (PFSA). Diese wird anschließend mit einer OER-Schicht 68 bedeckt, die durch die erste aktive Katalysatorsubstanz 54 gebildet wird, die auf der zweiten Trägersubstanz 52 geträgert ist.
In 3d ist eine weitere Variante der Membran-Elektroden-Einheit 60 dargestellt. Sie entspricht im Wesentlichen der Variante 3c, wobei zusätzlich zwischen die Mischschicht 66 und die OER-Schicht 68 eine weitere Ionenaustauschmembranschicht 70 eingebracht ist. Man kann hier auch sagen, dass die einen Ionenleiter bildende Ionenaustauschmembran eine innenliegende Mischschicht 66 umfasst, die durch Einbringen von geträgertem HOR-Katalysator und PFSA-Partikeln in die Ionenaustauschmembran 16 ausgebildet wird.
Eine besonders einfache Variante der Membran-Elektroden-Einheit 60 ist in 3e schematisch dargestellt. Hier sind HOR-Katalysatorpartikel 72 in den durch die Ionenaustauschmembran 16 gebildeten Ionenleiter direkt eingebracht.
In 4 ist schematisch die chemische Synthese des Elektrokatalysators für die Wasserstoffoxidationsreaktion, nämlich Platin auf Titandioxid (Pt/TiO₂), dargestellt, bei welchem TiO₂ die erste Trägersubstanz bildet und Platin (Pt) die aktive zweite Katalysatorsubstanz.
Zunächst wird Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), welches als oberflächenaktiver Stoff wirkt, in wasserfreiem Ethanol gelöst, beispielsweise kann es dann in einen Dreihalskolben gegeben werden. Die Zugabe von CTAB fördert zum einen die Distorsion auf dem Trägermaterial, zum anderen dient es zur Bildung von Nanopartikeln.
Anschließend wird das Trägermaterial TiO₂ beigemischt. Zur besseren Vermischung kann die Lösung in ein Ultraschallbad gegeben werden.
Ferner wird Platinum(IV)-Chlorid (PtCl₄) in wasserfreiem Ethanol gelöst und dann der im Dreihalskolben enthaltenen Mischung zugeführt. Die gesamte Mischung wird für mehrere Minuten nochmals im Ultraschallbad behandelt. Dann wird Argon zugeströmt und die Rotation eingeschaltet.
Nach einigen Stunden wird die Temperatur der Mischung, die bei Raumtemperatur erfolgte, mit Hilfe eines Eisbades abgekühlt und die Rotation erhöht.
Das Reduktionsmittel Natriumborhydrid (NaBH₄) wird in wasserfreiem Ethanol gelöst und tröpfchenweise zugegeben. Durch die niedrige Temperatur, die die Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzt, die erhöhte Rotation und durch das langsame Zutropfen von NaBH₄ wird sowohl eine gute Verteilung der katalytisch aktiven Substanz auf dem Trägermaterial garantiert als auch die Agglomeration von Katalysatormaterial zu großen Partikeln unterbunden.
Nachdem das Gemisch mehrere Stunden mit dem Magnetrührer durchmischt wurde, wird die Argonzufuhr abgestellt und die Rotation des Magnetrührers ausgeschaltet.
Mit Hilfe einer Woulffschen Flasche wird die Mischung über einen Papierfilter gefiltert und mehrere Male mit Ethanol gewaschen. Danach wird das Filtrat, also der erhaltene HOR-Elektrokatalysator Pt/TiO₂, im Ofen bei 65˚C getrocknet.
Alternativ kann der Elektrokatalysator mittels einer Zentrifuge aufbereitet werden. Mehrere Waschgänge mit Wasser, Ethanol oder alternativ H₂SO₄ Lösung reinigen den Elektrokatalysator von CTAB Verunreinigungen und von Salzen, die sich während der Synthese gebildet haben. Hierfür wird das Katalysatorpulver abwechselnd in der jeweiligen Waschlösung dispergiert und anschließend mittels einer Zentrifuge wieder getrennt.
Optional kann der HOR-Elektrokatalysator Pt/TiO₂ mit einem Übergangsmetall behandelt werden, beispielsweise mit Vanadium. Für eine Vanadiumbehandlung wird Vanadylsulfat (VOSO₄) in Schwefelsäure (H₂SO₄) gelöst und der gereinigte und getrocknete Elektrokatalysator Pt/TiO₂ wird hinzugegeben. Die Lösung wird gut durchmischt und das in der Mischung enthaltene Wasser anschließend verdampft. Der verbleibende Rest der Mischung wird im Ofen bei 500˚C unter Wasserstoffatmosphäre getrocknet. So wird der Katalysator PtV/TiO₂ hergestellt.
Bei der beschriebenen Synthese wird lediglich das umweltfreundliche Ethanol als Lösungsmittel verwendet. Titandioxid (TiO₂) wird als Trägermaterial verwendet. Um zusätzlich die Menge des eingesetzten Platins als zweite aktive Katalysatorsubstanz zu verringern, kann wie beschrieben der HOR-Elektrokatalysator optional durch Zugabe von Vanadium modifiziert werden. Dadurch lässt sich eine Platin-Beladung des Katalysators im Vergleich zu reinem Platin signifikant senken und auf einen Wunschwert kontrollieren. Die Kosten für die Herstellung eines solchen geträgerten Katalysators sind unter Berücksichtigung aktueller Edelmetallpreise im Vergleich zu reinem Platin signifikant geringer.
Die Herstellung des OER-Elektrokatalysators ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 10 2015 101 249.9 beschrieben.
Bildet man die anodische Katalysatorschicht 36 wie schematisch in 3a dargestellt durch Mischen eines geträgerten OER-Katalysators und eines geträgerten HOR-Katalysators im Verhältnis 9:1 aus, so zeigt sich bei Aktivitätsmessungen, die in 5 rechnerisch auf Stromwerte pro Milligramm Iridium normiert sind, dass der OER-Katalysator durch den HOR-Katalysator nicht vergiftet wird. Vielmehr zeigt sich keine Aktivitätsminderung. Die in 5 dargestellten Messwerte wurden unter Argon-gesättigter 0,5-molarer H₂SO₄-Lösung bei 24° Celsius und mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2300 Umdrehungen pro Minute aufgenommen. Die Aufzeichnungsrate betrug 5mV. Die Spannung wurde bezogen auf eine reversible Wasserstoffelektrode (RHE) gemessen. Zum Vergleich sind in 5 Aktivitätsmessungen mit einem Standard-OER-Katalysator gestrichelt und mit einem geträgerten OER-Katalysator durchgezogen dargestellt.
In 6 ist eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Iridium-Black der Firma Umicore dargestellt.
Zum Vergleich zeigt 7a bei etwas doppelter Vergrößerung eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme den Elektrokatalysator IrV, wobei es sich bei dem eingesetzten Iridium um Iridium-Mohr handelt. IrV wird gebildet aus der Konfiguration Iridium Black durch die oben beschriebene Vanadiumbehandlung unter Verwendung von Vanadylsulfat.
In 7b ist eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme eines geträgerten Elektrokatalysators vom Typ Pt/Ti₄O₇ dargestellt mit einer im Vergleich zu 7a etwa fünfzigfach-kleineren Vergrößerung. Dieser Elektrokatalysator wird als OER-Katalysator eingesetzt.
7c zeigt eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt/Ti₄O₇. Die Vergrößerung entspricht etwa der Vergrößerung der Aufnahme der 6.
7d zeigt beispielhaft eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Pt₃Ir₁/Ti₄O₇ mit einer Vergrößerung, die etwa der Vergrößerung der Aufnahme der 7a entspricht. Dieser Elektrokatalysator wird ebenfalls als OER-Katalysator eingesetzt.
Die 7e zeigt eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators PtIr₃/Ti₄O₇ mit einer Auflösung vergleichbar der in 7d dargestellten Aufnahme. Ein Beispiel für eine Synthese dieses Elektrokatalysators wird nachfolgend noch näher angegeben. Dieser Elektrokatalysator wird ebenfalls als OER-Katalysator eingesetzt.
Die 7f zeigt eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators IrV/Ti₄O₇. Dieser Elektrokatalysator wird wie oben beschrieben durch Wärmebehandlung des synthetisierten Elektrokatalysators Ir/Ti₄O₇ hergestellt. Die Auflösung der Darstellung in 7f entspricht etwas der halben Auflösung der Darstellung der 7e. Dieser Elektrokatalysator wird ebenfalls als OER-Katalysator eingesetzt.
7g zeigt schließlich eine Sekundärelektronenmikroskop-Aufnahme des Elektrokatalysators Ir/Ti₄O₇ wie er durch die oben beschriebene chemische Reaktion erhalten wird. Es handelt sich also um den Elektrokatalysator, welcher durch Behandlung mit Vanadium in den in 7f dargestellten Elektrokatalysator IrV/Ti₄O₇ überführt werden kann. Dieser Elektrokatalysator wird ebenfalls als OER-Katalysator eingesetzt.
In 8 ist die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER-Aktivität) der Elektrokatalysatoren IrV/Ti₄O₇, Ir/Ti₄O₇, Ir-Mohr der Firma Umicore mit Ti₄O₇, reines Mohr der Firma Umicore sowie Iridiumoxid auf TiO₂ Catalyst Ir75 der Firma Umicore dargestellt. Wie die gemessene Abhängigkeit der Spannung bezogen auf die reversible Wasserstoffelektrode (RHE) vom Strom zeigt, nimmt die Aktivität der angegebenen Elektrokatalysatoren ausgehend von Iridiumoxid auf TiO₂ zum Elektrokatalysator IrV/Ti₄O₇ hin kontinuierlich zu.
Die Aktivität von Elektrokatalysatoren in der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) sind beispielhaft in 9 für die Elektrokatalysatoren Pt₁Ir₁/Ti₄O₇, Pt₃Ir₁/Ti₄O₇, Pt₁Ir₃/Ti₄O₇, Ir-Mohr (UC = Umicore) sowie Pt-Mohr (JM = Johnson Matthey) schematisch dargestellt. Auch hier ist erkennbar, dass durch die Mischung von Platin und Iridium sowie Aufbringen dieser Mischung auf Ti₄O₇ im Vergleich zu reinem Iridium deutlich höhere Stromdichten bei deutlich niedrigeren Potentialen erreicht werden. Selbst reines Platin wird zumindest von Pt₃Ir₁/Ti₄O₇ und Pt₁Ir₃/Ti₄O₇ übertroffen.
10 zeigt beispielhaft die Aktivität von drei Elektrokatalysatoren in der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER-Aktivität) im Vergleich. Dargestellt sind die gemessenen Stromdichten in Abhängigkeit der Spannung bezogen auf die Wasserstoffreferenzelektrode (RHE). Auch hier zeigt sich eine deutlich gesteigerte Aktivität von Pt₁Ir₃/ATO und Pt₁Ir₃/Ti₄O₇ im Vergleich zu reinem Iridium.
Ein weiteres Beispiel für die Herstellung insbesondere eines OER-Elektrokatalysators ist schematisch in 11 dargestellt. Es bildet die Grundlage zur Herstellung des Elektrokatalysators PtIrV/Ti₄O₇. Durch ein nasschemisches Syntheseverfahren wird mittels Reduktion bei Raumtemperatur zunächst der Elektrokatalysator PtIr/Ti₄O₇ mit einem Edelmetallanteil von 30 Gewichtsprozent hergestellt. Die Behandlung dieses Elektrokatalysators mit Vanadium erfolgt optional in einem anschließenden Schritt.
Zunächst wird zur Synthese von PtIr/Ti₄O₇ 1,17 g Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB, VWR Chemicals), ein kationisches Tensid, welches die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzt, in 120 ml wasserfreiem Ethanol mit einem Wassergehalt von maximal 0,01 % gelöst und in einen Dreihalskolben gegeben. Die Zugabe von CTAB fördert zum einen die Dispersion der Edelmetalle auf dem Trägermaterial zum anderen dient es zur vollständigen Reduktion der metallischen Ausgangsstoffe und der Abscheidung auf dem Trägermaterial, der sogenannten Nanopartikelbildung.
Anschließend werden 0,15 g des Trägermaterials Ti₄O₇ dem Dreihalskolben zugefügt und zur besseren Vermischung mittels eines Magnetrührers bei 500 Umdrehungen/min gerührt.
Ferner wird der Lösung Argon zugeströmt, um eine inerte Gasphase zu schaffen.
53 mg des rotbraunen, kristallinen und hygroskopischen Salzes Platinum(IV)-chlorid (99,9 %, PtCl₄ der Firma Alfa Aesar) werden mit 47 mg Iridium(III)-chlorid (99,9 %, IrCl₃ der Firma Alfa Aesar), einem stark hygroskopischen Salz, in 50 ml wasserfreiem Ethanol gelöst und nach dreißig Minuten ebenfalls dem Dreihalskolben zugeführt.
Nach vier Stunden werden 152 mg des Reduktionsmittels Natriumborhydrid (NaBH₄ der Firma Merck Millipore), ein Komplexsalz, welches aus einem Natri umkation Na⁺ und einem komplexen Tetrahydridoboratanion BH₄ ^– besteht, in 20 ml wasserfreiem Ethanol gelöst und zügig der Mischung zugegeben.
Die Drehzahl des Magnetrührers wird auf 1100 Umdrehungen/min erhöht und die Lösung für weitere vier Stunden bei Raumtemperatur durchmischt, um so eine vollständige Reduktion zu erreichen.
Danach wird die Mischung mit Hilfe einer Woulffschen Flasche und zwei Blaubandfilterpapieren, die für sehr feine Niederschläge geeignet sind, gefiltert und mehrere Male mit reinem Ethanol (99,0 %) gewaschen, damit Nebenprodukte sowie CTAB entfernt werden.
Das Filtrat, der erhaltene Elektrokatalysator PtIr/Ti₄O₇, im Ofen bei 40˚C getrocknet und anschließend mit einem Mörser gemahlen.
Um den Elektrokatalysator vollständig von CTAB zu reinigen, wird dieser optional einer Wärmebehandlung unterzogen oder mit Ethanol gewaschen, bis in der Mutterlauge kein CTAB mehr detektierbar ist. Bei der Wärmebehandlung wird der Elektrokatalysator in einer Gasatmosphäre von 5 % Wasserstoff und 95 % Argon bei 250˚C für zwei Stunden erhitzt. Die Starttemperatur beträgt 30˚C mit einer Temperaturrampe von 5˚C/min und einem Volumenstrom des Reinigungsgases von 30 ml/min.
Die einzelnen Syntheseschritte sind wie bereits angemerkt in 11 zusammengestellt.
Im Anschluss an die Synthese kann der OER-Elektrokatalysator PtIr/Ti₄O₇ optional mit Vanadium behandelt werden. Dazu wird Vanadylsulfat (VOSO₄) der Firma Alfa Aesar in demineralisiertem Wasser gelöst und zur besseren Vermischung ins Ultraschallbad gegeben. Anschließend wird der Elektrokatalysator hinzugegeben und die Mischung für weitere dreißig Minuten im Ultraschallbad behandelt. Nachdem die Lösung gut durchmischt wurde, wird diese in einem Ofen bei 40˚C erhitzt, um das Wasser zu verdampfen. Das getrocknete Pulver wird anschließend einer Wärmebehandlung bei 550˚C in Luftatmosphäre für zwei Stunden unterzogen. Am Ende dieses Behandlungsprozesses erhält man so den Elektrokatalysator PtIrV/Ti₄O₇.
Die oben beschriebenen Elektrokatalysatoren können für zahlreiche kommerzielle Anwendungen im Bereich der Nieder-zu-Mitteltemperatur-elektrochemischen Anwendungen und Techniken genutzt werden. Dies sind insbesondere Katalysatorschichten in Membran-Elektroden-Einheiten sowie Katalysator-beschichteten Membranen, Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseure (PEM-Elektrolyseure), reversible Brennstoffzellen (RBZ), Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEBZ), Sauerstoffelektroden für verschiedene Elektrolyse-Anwendungen, Satellitenantriebe, Wasseraufbereitung sowie elektrochemische Membranreaktoren zur CO₂- und N₂-Reduktion von Biomasse und auch Lithium-Luft-Batterien und Metall-Luft-Batterien.
Bezugszeichenliste

10: elektrochemische Zelle
12: Wasserelektrolyseur
14: Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur
16: Ionenaustauschmembran
18: Katalysator-beschichtete Membran
20: Kathode
22: kathodische Bipolarplatte
24: Strömungsfeld der kathodischen Bipolarplatte
26: Kanal
28: Wasserstoffverteiler/anodische Gasdiffusionsschicht
30: Kontaktoberfläche
32: kathodische Gasdiffusionsschicht
34: kathodische Katalysatorschicht
36: anodische Katalysatorschicht
38: Anode
40: Stromkollektor
42: anodische Bipolarplatte
44: Kontaktoberfläche
46: Kanal
48: Strömungsfeld
50: Wasserverteiler
52: zweite Trägersubstanz
54: erste Katalysatorsubstanz
56: zweite Katalysatorsubstanz
58: erste Trägersubstanz
60: Membran-Elektrodeneinheit
62: HOR-Segment
64: OER-Segment
66: Mischschicht
68: OER-Schicht
70: Ionenaustausch-Membranschicht
72: HOR-Katalysatorpartikel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015101249 [0119]

Claims

Elektrokatalysator für eine Elektrode (38) einer elektrochemischen Zelle (10), welcher Elektrokatalysator mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz (54), insbesondere zur Anregung der Entwicklung von Sauerstoff, umfasst, gekennzeichnet durch mindestens eine auf einer ersten, elektrisch nicht-leitfähigen Trägersubstanz (58) abgeschiedene oder auf diese aufgebrachte zweite aktive Katalysatorsubstanz (56), insbesondere zur Anregung der Oxidation von Wasserstoff.
Elektrokatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägersubstanz (58) eine elektrische Leitfähigkeit von maximal 1·10^–3 S/m aufweist.
Elektrokatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägersubstanz (58) eine Keramik, ein Polymer, insbesondere Tetrafluorethylen (PTFE) und/oder ein Metalloxid ist oder enthält.
Elektrokatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik oder das Metalloxid Titan enthält.
Elektrokatalysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Titanoxid (TiO) oder Titandioxid (TiO₂) ist.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste aktive Katalysatorsubstanz (54) auf einer ersten, elektrisch leitfähigen Trägersubstanz (52) abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist.
Elektrokatalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trägersubstanz (52) hochleitfähig und/oder korrosionsbeständig ist.
Elektrokatalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trägersubstanz (52) eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1·10⁶ S/m aufweist.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Katalysatorsubstanz (54, 56) ein Edelmetall oder eine Mischung aus zwei oder mehr Edelmetallen ist.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Katalysatorsubstanz (54, 56) Platin (Pt), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Iridium-Vanadium (IrV), Platin-Iridium (PtIr) oder Platin-Iridium-Vanadium (PtIrV) oder eine Mischung aus einem oder mehreren dieser Stoffe ist.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er in Form eines geträgerten Nanokatalysators ausgebildet ist, bei welchem die mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz (54) in Form von Nanopartikeln auf der zweiten Trägersubstanz (52) abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist und/oder bei welchem die mindestens eine zweite aktive Katalysatorsubstanz (56) in Form von Nanopartikeln auf der ersten Trägersubstanz (58) abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste aktive Katalysatorsubstanz (54) durch eine wasserfreie chemische Reaktion auf der zweiten Trägersubstanz (52) abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist und/oder dass die mindestens eine zweite aktive Katalysatorsubstanz (56) durch eine wasserfreie chemische Reaktion auf der ersten Trägersubstanz (58) abgeschieden oder auf diese aufgebracht ist.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Trägersubstanz (52, 58) pulverförmig sind.
Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trägersubstanz (52) Titan und/oder Sauerstoff und/oder Iridium und/oder Antimon und/oder Zinn und/oder ein Metall und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Gold und/oder eine Keramik ist oder enthält.
Elektrokatalysator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trägersubstanz (52) Titansuboxid (Ti₄O₇) oder Iridium in der Modifikation Ir-black oder Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Titan-Metalloxid (Ti_1-xM_xO₂ mit M = W, Nb, Mo) oder Bor dotiertes Siliziumkarbid (SiC:B) oder Gold (Au) ist.
Katalysator-beschichtete Membran (18) umfassend eine Ionenaustauschmembran (16), welche mindestens einseitig, insbesondere beidseitig, mit einem Elektrokatalysator (34, 36) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrokatalysator (34, 36) in Form eines Elektrokatalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
Membran-Elektroden-Einheit (60) umfassend eine Ionenaustauschmembran (16), welche mindestens einseitig, insbesondere beidseitig, mit einem Elektrokatalysator (34, 36) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrokatalysator (34, 36) in Form eines Elektrokatalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
Elektrode (20, 38) für eine elektrochemische Zelle (10), welche Elektrode (20, 38) mindestens eine Katalysatorschicht (34, 36) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Katalysatorschicht (34, 36) einen Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst oder durch einen Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 15 gebildet ist.
Elektrode nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Katalysatorschicht (34, 36) in Form einer anodischen oder kathodischen Katalysatorschicht (34, 36) ausgebildet ist.
Elektrode nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (38) in Form einer Anode (38) für einen Wasserelektrolyseur (12), insbesondere einen Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur, ausgebildet ist.
Elektrode nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (20) in Form einer Kathode (20) für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle, ausgebildet ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch einen Elektrodenträger in Form einer Bipolarplatte (22, 42).
Elektrode nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine auf dem Elektrodenträger aufgebrachte Gasdiffusionsschicht.
Elektrode nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionsschicht (28, 32) aufgebracht ist.
Elektrochemischer Reaktor, insbesondere in Form einer elektrochemischen Zelle (10), umfassend mindestens zwei Elektroden (20, 38), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zwei Elektroden (20, 38) in Form einer Elektrode (20, 38) nach einem der Ansprüche 18 bis 24 ausgebildet ist.
Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Reaktor in Form einer Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle, eines Ionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs (14), einer Redox-Flussbatterie, eines elektrochemischen Reaktors zur Kohlenstoffdioxid- und Stickstoffreduktion, eines elektrochemischen Reaktors zur Oxidation und/oder Reduktion von Lignin, eines elektrochemischen Reaktors zur Hydrierung von Gasen oder Flüssigkeiten, eines elektrochemischen Zelle zur elektrochemischen Wasseraufbereitung oder eines Metallschicht-Abscheidungselektrolyseurs ausgebildet ist.