Elektrode für die Wasserelektrolyse

Abstract

 Elektrode für die Wasserelektrolyse, bestehend aus einer auf einer Seite mit Rillen (2) versehenen porösen Graphitplatte (1), welche auf der anderen Seite mit einer aus Titan und Titandioxyd bestehenden dünnen Oberflächenschicht (3) versehen ist. Die Oberflächenschicht (3) ist in vorteilhafter Weise mit einem zu 20 mol-%aus Rutheniumoxyd und zu 80 mol-% aus Iridiumoxyd bestehenden Katalysator (4) dotiert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Elektrode nach der Gattung des Anspruchs l.

[0002] 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, 1968). Die Forderung nach genau definierten Reaktionszonen bedingt einen vielschichtigen Aufbau und spezielle Behandlungsverfahren derartiger Brennstoffzellen-Elektroden.

[0003] 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.

[0004] Elektroden für Wasserzersetzungszellen sind bereits vorgeschlagen worden (z.B. US-PS 4 039 409). Zur-Beschleunigung der elektrochemischen Reaktionen werden sie meist mit Katalysatoren dotiert.

[0005] Die beschriebenen Elektroden lassen sowohl bezüglich ihrer mechanischen und chemischen Eigenschaften zu wünschen übrig. Das gleiche gilt bezüglich der verwendeten Katalysatoren.

[0006] 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 Wasserzersetzungsreaktion katalytisch in optimaler Weise zu beschleunigen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

[0008] 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.

[0009] Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch eine Figur erläuterten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

[0010] Dabei zeigt die Figur

[0011] den Querschnitt durch eine Elektrode.

[0012] 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-% Rutheniumoxyd und 80 mol-% Iridiumoxyd. Die Platte 1 kann in ihrer Grundrissform kreisrund, quadratisch, rechteckig, sechseckig oder achteckig ausgeführt sein.

Ausführungsbeispiel:

[0013] In eine fein-poröse Graphitplatte 1 von 60 mm Durchmesser und 4 mm Dicke (z.B. Qualität S 1602 von Le Carbone AG) wurden mit Hilfe eines Fräsers Rillen 2 in Form eines Rasters aus einer der Oberflächen herausgearbeitet. Bei einer gesamten Oberfläche von 28cm² 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 Feststoffelektrolyten zugewandt ist, im Vakuum von 10^-5 bis 10 torr durch Glimmentladungen während 5 Minuten gereinigt. Danach wurde bei einer Aufdampfgeschwindigkeit von 10 bis 20 9/sec eine Titan-Schicht von total ca. 1000 R 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.

[0014] Die auf diese Art und Weise vorbereitete Platte 1 wurde nun während 10 sec in eine alkoholische Lösung getaucht, welche ca. 15 rel. Gew.-% Rutheniumchlorid (RuCl3) und 85 rel. Gew.-% Iridiumchlorid (IrCl₃) enthielt. Nach dem Abtropfen während 1 min wurde die Platte 1 während 10 min bei einer Temperatur von 375⁰C 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-% Rutheniumoxyd (Ru0₂) und 80 mol-% Iridiumoxyd gebildet. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, weist eine derartige Oxydmischung optimale Katalysatoreigenschaften auf.

[0015] Die Elektrode besticht vor allem durch ihren ausserordentlich einfachen Aufbau. Zudem ist ihre Herstellung verhältnismässig billig, da Kohlenstoff (Elektrokohle, Graphit) ein preiswertes Ausgangsmaterial darstellt.

[0016] Das beschriebene Verfahren lässt sich in besonders vorteilhafter Weise bei der Herstellung von Elektroden für Hochleistungs-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.

[0017] Die auf diese Art hergestellten Elektroden zeichnen sich durch hohe chemische Beständigkeit und eine günstige Zersetzungsspannung aus.

B e z e i c h n u n g s l i s t e

[0018] 

1 = Platte aus porösem Graphit

2 = Rillen

3 = Oberflächenschicht aus Ti/Ti0₂

4 = Katalysator-Dotierung aus 20 Ru0₂/80 Ir0₂ (Mol-Verhältnis)

Ansprüche

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 Ti0₂ bestehende Oberflächenschicht (3) eine Dicke von 0,1_bis 0,5 f 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 Ru0₂ und zu 80 mol-% aus Ir0₂ besteht.

Zeichnung