DE2928911A1 - Elektrode fuer die wasserelektrolyse - Google Patents
Elektrode fuer die wasserelektrolyseInfo
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Description
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Elektrode für die Wasserelektrolyse
Die Erfindung geht aus von einer Elektrode nach der Gattung des Anspruchs 1.
Elektroden sowie Verfahren zu deren Herstellung sind vor allem von der für Brennstoffzellen entwickelten Technologie
her bekannt (z.B. Carl Berger, Handbook of Fuel Cell Technology S. 401-406, Prentice Hall 1968; H.A. Liebhafsky and
E.J. Cairns, Fuel Cells and Fuel Batteries, S. 289-294, John
Wiley & Sons, I968). Die Forderung nach genau definierten Reaktionszonen bedingt einen vielschichtigen Aufbau und
spezielle Behandlungsverfahren derartiger Brennstoffzellen-Elektroden.
Für die Wasserzersetzung sind die oben beschriebenen Elektroden in ihrem Aufbau zu kompliziert und ihre Fertigungsmethoden zu aufwendig und kostspielig. Dies gilt insbesondere
im Hinblick auf Herstellungsmethoden für industrielle Grossanlagen zur wirtschaftlichen Erzeugung von Wasserstoff.
Elektroden für Wasserzersetzungszellen sind bereits vorgeschlagen worden (z.B. US-PS 4 039 409). Zur Beschleunigung
der elektrochemischen Reaktionen werden sie meist mit Kata-
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lysatoren dotiert.
Die beschriebenen Elektroden lassen sowohl bezüglich ihrer mechanischen und chemischen Eigenschaften zu wünschen übrig.
Das gleiche gilt bezüglich der verwendeten Katalysatoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für
die Wasserelektrolyse anzugeben, welche bei guter mechanischer und chemischer Stabilität, hoher elektrischer Leitfähigkeit
und guter Durchlässigkeit für Wasser und Gas eine hohe Lebensdauer sowie die Eigenschaft besitzt, die Wasser-Zersetzungsreaktion
katalytisch in optimaler Weise zu beschleunigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, als Elektrodenmaterial
einen porösen, durchlässigen Werkstoff auf Kohlenstoffbasis zu benutzen und seine dem Elektrolyt zugewandte
Oberfläche durch Titan/Titandioxyd vor korrosivem Angriff zu schützen. Als Katalysator ist eine aus Platinmetalloxyden
bestehende Imprägnierung, vorzugsweise eine Mischung von Rutheniumoxyd und Iridiumoxyd, vorgesehen.
Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch eine Figur erläuterten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Dabei zeigt die Figur
den Querschnitt durch eine Elektrode.
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1 ist eine Platte aus porösem Graphit, deren der Wasserzufuhr zugekehrte Seite mit einem Raster von Rillen 2 versehen
ist. 3 stellt die aus einer Mischung von Titan und Titandioxyd bestehende elektrolytseitige Oberflächenschicht
dar. 4 ist die in der Oberflächenschicht enthaltene Katalysator-Dotierung bestehend aus einer Mischung von 20 mol-jt
Rutheniumoxyd und 80 mol-J Iridiumoxyd. Die Platte 1 kann
in ihrer Grundrissform kreisrund, quadratisch, rechteckig, sechseckig oder achteckig ausgeführt sein.
In eine fein-poröse Graphitplatte 1 von 60 mm Durchmesser und 4 mm Dicke (z.B. Qualität S l602 von Le Carbone AG)
wurden mit Hilfe eines Fräsers Rillen 2 in Form eines Rasters aus einer der Oberflächen herausgearbeitet. Bei
2 einer gesamten Oberfläche von 28cm war die Breite und
Tiefe der Rillen quadratischen Querschnitts je 1 mm, ihr gegenseitiger Abstand je 2 mm. Hierauf wurde die glatte
Oberfläche der Platte 1, welche im Betrieb dem Peststoffelektrolyten zugewandt ist, im Vakuum von 10 bis 10
torr durch Glimmentladungen während 5 Minuten gereinigt. Danach wurde bei einer Aufdampfgeschwindigkeit von 10 bis
20 A/sec eine Titan-Schicht von total ca. 1000 A auf diese Oberfläche der Platte aufgedampft. Im Betrieb besteht diese
Oberflächenschicht 3 dank örtlicher Oxydation zum grossen
Teil aus Titan, zum kleineren aus Titandioxyd. Dadurch wird der darunterliegende Kohlenstoff (Graphit) der Platte 1 vor
korrosivem Angriff (Oxydation durch entstehenden Sauerstoff) wirksam geschützt.
Die auf diese Art und Weise vorbereitete Platte 1 wurde nun
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während 10 sec in eine alkoholische Lösung getaucht, welche
ca. 15 rel. Gew.-SS Rutheniumchlorid (RuCl,) und 85 rel.
Gew.-55 Iridiumchlorid (IrCl,) enthielt. Nach dem Abtropfen
während 1 min wurde die Platte 1 während 10 min bei einer Temperatur von 375. C in Luft oxydiert. Dieser Prozess des
Eintauchens und Oxydierens wurde insgesamt 5 Mal wiederholt. Zum Schluss wurde die Platte 1 nochmals während 4 h
bei einer Temperatur von 375°C in Luft oxydiert. Derart wurde auf der Plattenoberfläche die Katalysator-Dotierung
4, bestehend aus ca. 20 mol-5? Rutheniumoxyd (RuOp) und
80 mol-jü Iridiumoxyd gebildet. Wie sich in der Praxis
gezeigt hat, weist eine derartige Oxydmischung optimale Katalysatoreigenschaften auf.
Die Elektrode besticht vor allem durch ihren ausserordentlieh
einfachen Aufbau. Zudem ist ihre Herstellung verhältnismässig
billig, da Kohlenstoff (Elektrokohle, Graphit) ein preiswertes Ausgangsmaterial darstellt.
Das beschriebene Verfahren lässt sich in besonders vorteilhafter Weise bei der Herstellung von Elektroden für Hoehleistungs-Wasserzersetzungsapparate
zur Herstellung von Wasserstoff anwenden. Dank der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit
des auf diese Art und Weise hergestellten Produkts eignet sich dieses vorzüglich für serienmässige, grossflächige
Elektroden für industrielle Grossanlagen.
Die auf diese Art hergestellten Elektroden zeichnen sich durch hohe chemische Beständigkeit und eine günstige Zersetzungsspannung
aus.
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Claims (4)
1. Elektrode für die Wasserelektrolyse auf der Basis eines Verbundwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus
einer porösen, auf einer Seite mit Rillen (2) versehenen Graphitplatte (1) besteht, welche auf der anderen Seite
eine aus Titan und Titandioxyd bestehende dünne Oberflächenschicht (3) aufweist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Ti und TiOp bestehende Oberflächenschicht (3)
eine Dicke von 0,1 bis 0,5 M aufweist.
3. Elektrode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (3) ausserdem mit einem
Katalysator (4) aus einer Mischung von Platinmetall-Verbindungen dotiert ist.
4. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator-Dotierung (4) der Oberflächenschicht (3)
zu 20 mol-$ aus RuOp und zu 80 mol-# aus IrO besteht.
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